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Nobel de Physique 2006 : COBE, l'origine des galaxies et les rides du temps

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Le prix Nobel de Physique 2006 a été attribué à deux chercheurs américains, John C. Mather et George F. Smoot, pour « leur découverte du spectre en corps noir et de l'anisotropie du rayonnement de fond cosmologique microonde ».

carte des inhomogénéités du rayonnement de fond microonde, obtenue par COBE et publiée en 1992

Le rayonnement de fond microonde

Ce rayonnement de fond a été découvert expérimentalement par Penzias et Wilson en 1963, ce qui leur valut le prix Nobel en 1978. Il consiste, comme son nom l'indique, en un rayonnement microonde, du même type que celui que produisent les fours du même nom, mais d'intensité beaucoup plus faible. Il nous provient de toutes les directions avec (presque) la même intensité (ce « presque » constitue l'un des objets du prix Nobel 2006...).

Cette découverte permit de départager les différentes théories cosmologiques alors en compétition pour décrire l'Univers, en faveur du modèle du Big-Bang, dans lequel l'Univers en expansion est passé par des phases plus chaudes et plus denses. Le rayonnement de fond microonde est ce que nous percevons de la lumière émise alors que l'Univers était beaucoup plus chaud, lors d'un événement remarquable appelé recombinaison. Avant cet événement, l'Univers était trop chaud pour que les électrons et les noyaux puissent former des atomes de manière durable ; il était alors entièrement constitué d'un plasma, qui présente la propriété d'être opaque à la lumière. De manière imagée, l'Univers était dans le brouillard. Au fil de son refroidissement, l'Univers a atteint une température suffisamment basse pour que les atomes puissent se former, dissipant le brouillard formé par le plasma : l'Univers est devenu transparent et la lumière a pu commencer à se propager librement. Elle continue depuis cette époque à être affectée par l'expansion : sa longueur d'onde augmente au cours du temps. Ainsi, la lumière originalement émise principalement dans l'ultraviolet (longueur d'onde de quelques micromètres) est passée par le visible, les infrarouges, pour finalement être observé sous forme de rayonnement microonde.

Tester les prédictions théoriques

Dans le scénario que nous venons de décrire, le rayonnement de fond devrait avoir des propriétés spectrales bien précises (le spectre désigne la composition du rayonnement dans les différentes longueurs d'onde, l'équivalent de la couleur en quelque sorte). Son spectre devrait être identique à celui émis par une source thermique de température bien définie (un tel spectre est appelé spectre de corps noir). Un des objectifs de Mather et Smoot était de vérifier cette prédiction théorique.

D'autre part, ce scénario prédisait aussi que ce rayonnement devait présenter des petites différences d'une partie du ciel à l'autre (on les appelle des anisotropies), car l'Univers n'était pas tout à fait homogène au moment de la recombinaison. Certaines régions devaient être plus chaudes et plus denses que d'autres. Ces « grumeaux » dans le milieu cosmique jouent un rôle crucial dans l'histoire de l'Univers : c'est leur effondrement sous leur propre poids qui a conduit à la formation des galaxies et des amas de galaxies ! Ce sont ces grumeaux que révèlent les anisotropies du rayonnement de fond microonde.

Mather, Smoot et COBE

Mather et Smoot entreprirent donc de concevoir et mettre en œuvre une expérience spatiale - COBE - pour vérifier ces prédictions. Le satellite COBE contenait trois instruments :
• DMR, chargé de mesurer les anisotropies ;
• FIRAS, chargé de mesurer le spectre ;
• DIRBE, chargé de prendre des mesures en infrarouge, ce qui devait notamment permettre de faciliter l'analyse des mesures prises par les deux autres instruments, en plus des ses propres objectifs scientifiques.

Le satellite fut mis en orbite le 18 novembre 1989 et pris des données jusqu'en 1994. Les résultats, publiés à partir de 1992, furent très probants et montrèrent que le rayonnement de fond, d'une part possède les propriétés d'un corps noir, de température 2.725 +/- 0.002 K, et d'autre part présente des anisotropies spatiales dont l'ordre de grandeur (environ 0,001 %) est compatible avec les attentes des théoriciens cosmologistes. George Smoot ira même jusqu'à déclarer que l'expérience avait permis de « voir le visage de Dieu ».

Les conséquences

Les résultats de COBE marquèrent une étape importante dans la cosmologie moderne, en permettant de relier l'astrophysique (la formation des grandes structures, galaxies et amas de galaxies) à la cosmologie. Comme toute grande découverte, celle-ci conduisit à beaucoup plus de questions que de réponses. En particulier, les anisotropies observées ne permettent pas vraiment d'expliquer dans le détail la formation des galaxies. Ce problème pourrait être résolu si l'Univers contient une composante de matière d'un type nouveau, qu'on appelle matière noire. C'est encore une question ouverte.

Et après ?

Le satellite COBE a ouvert la voie à de nombreuses autres expériences qui ont raffiné ses résultats, notamment en mesurant les anisotropies sur des échelles angulaires beaucoup plus faibles (donnant des cartes avec une meilleure résolution) : Archéops, Boomerang, Maxima, Dasi, CBI, VSA et récemment le satellite WMAP qui en digne successeur de COBE fait régulièrement la vedette des média scientifiques. Le futur satellite Planck devrait la lui voler dans quelques années. Nous sommes aujourd'hui dans une ère que certains cosmologistes qualifient de « cosmologie de précision », et nous le devons en partie à Mather et Smoot.

On pourrait peut-être regretter que, comme dans le cas de Penzias et Wilson, le comité Nobel n'ait pas associé un astrophysicien dont les travaux théoriques ont joué un grand rôle dans la découverte expérimentale et son interprétation. Cela aurait pu être Peebles ou Dicke au temps de Penzias et Wilson, il aurait pu cette année s'agir de Joseph Silk, pour ses contributions remarquables à la compréhension de ces rides du temps...