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La grande musique de l'Univers : rayonnement fossile et Big-Bang

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Une récente analyse, menée en partie par des théoriciens travaillant au CERN, suggère une nouvelle interprétation du rayonnement fossile du Big-Bang.

Le système solaire, plutôt que l'Univers, pourrait produire les fluctuations à grandes échelles du rayonnement, un peu comme les basses dans une chanson.

Selon un groupe de physiciens théoriciens, les données relatives au rayonnement thermique universel laissé par l'Univers primordial pourraient être à réinterpréter. Mais la nouvelle analyse qu'ils ont faite a peut-être permis de découvrir le responsable : notre système solaire. Dans le ciel, les cartes du rayonnement thermique universel montrent des fluctuations, tantôt fortes et tantôt faibles, un peu comme les harmoniques fortes et faibles d'un battement de tambour. Les ampleurs des fluctuations répondent en majorité à ce qu'on attend. Toutefois aux plus grandes échelles, comme le bruit sourd des basses d'un chant, elles sont plus faibles que les prédictions. De prime abord, cette basse cosmologique contredit les théories prédominantes sur l'Univers primordial.

Carte du rayonnement micro-onde de bruit de fond de l'Univers établie par le satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) et montrant les fluctuations à grande échelle (quadripolaires et octopolaires) isolées par une analyse faite en partie par des théoriciens au CERN. © CERN

La nouvelle analyse mathématique des théoriciens détecte les fluctuations à grande échelle dans le tumulte du rayonnement thermique universel sur les cartes établies par le satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anistotropy Probe. Cette nouvelle analyse suggère, de manière surprenante, qu'un premier plan résultant du mouvement et de l'orientation de notre système solaire se superpose au rayonnement fossile observé. Si tel est le cas, disent ces scientifiques, il faudrait peut-être que les cosmologistes révisent leurs conceptions de l'Univers primordial. L'estimation avec les données de WMAP de la date de formation des premières étoiles, par exemple, dépend très fortement de la basse cosmologique.

Dans une communication acceptée par les Physical Review Letters, les théoriciens - Dominik Schwarz, alors boursier au CERN, Glenn Starkman, de la Case Western Reserve University, qui avait travaillé à l'analyse lors d'un congé sabbatique au CERN, ainsi que Dragan Hunterer et Craig Copi, tous deux de Case Western - décrivent leur analyse mathématique. Ils ont constaté que ces basses cosmologiques se regroupent dans le ciel de manière curieuse.

Parmi les fluctuations du rayonnement micro-ondes dont on suppose généralement qu'elles ont une origine cosmologique, la plus forte est la fluctuation dite quadripolaire avec deux maxima et deux minima dans le ciel. Le quadripôle est aligné perpendiculairement au plan du système solaire, comme l'octopôle, avec trois maxima et trois minima. Et tous deux sont perpendiculaires au sens du déplacement du système solaire. Ces corrélations suggèrent que la basse cosmologique est en partie un « premier plan » local qui se superpose au rayonnement cosmologique fossile.

Si ces fluctuations à grande échelle ne sont pas d'origine cosmologique - en d'autres termes si le véritable rayonnement fossile est constitué principalement d'aigus, avec peu de basses - alors les cosmologistes devront revoir leurs interprétations des données de WMAP, disent les auteurs. Selon des estimations prudentes, les premières étoiles seraient apparues un milliard d'années environ après le Big-Bang, mais les premières interprétations des données de WMAP ont réduit ce chiffre d'un cinquième pour le ramener à environ 200 millions d'années. La nouvelle analyse élargirait cependant cette interprétation et autoriserait des théories de l'évolution de l'Univers dans lesquelles les étoiles se seraient formées plus tard. Selon les auteurs, avec cette nouvelle analyse une date d'apparition des premières étoiles repoussée à 800 millions d'années serait compatible avec WMAP et avec les spectres des quasars les plus éloignés observés jusqu'à présent.

La théorie et les mesures des fluctuations à grande échelle du rayonnement fossile sont depuis longtemps en conflit. Les données obtenues avec le satellite COBE, un prédécesseur de WMAP, montrent une divergence similaire. Mais ce problème était en grande partie oublié, expliquent les auteurs de la nouvelle analyse. L'attention s'est concentrée sur la grande aptitude des données de WMAP à déterminer l'âge de l'Univers et à corroborer la théorie de l'inflation qui postule que l'Univers a connu une gigantesque expansion dans ses premiers instants. Mais cette marge d'interprétation des données subsistait, et elle va à l'encontre des prédictions de l'inflation.

Aujourd'hui, le satellite WMAP poursuit sa collecte de données. Les versions plus récentes de la carte qu'il établit seront plus précises et incluront la polarisation du rayonnement fossile, qui ouvrira une nouvelle fenêtre sur l'Univers primordial. Ces cartes futures, associées aux données qui seront recueillies avec le vaisseau spatial Planck de l'Agence spatiale européenne qui sera lancé en 2007, pourraient aider à décider si ces fluctuations à grande échelle sont cosmologiques ou locales, et pourquoi elles sont si faibles. En s'accordant sur cette basse cosmique, on pourrait ainsi découvrir de nouvelles conceptions de l'Univers primordial.