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Rayonnement fossile et histoire de l'univers observable

Dossier - Le rayonnement fossile : clé pour la cosmologie
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Le rayonnement fossile, aussi appelé Cosmic Microwave Background ou CMB, est la lumière la plus vieille du monde et les cosmologistes l’analysent aujourd'hui à partir de sa carte sur la sphère céleste dressée par le satellite Planck.

  
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Le rayonnement fossile est la lumière la plus vieille du monde et les cosmologistes l'analysent comme jamais à partir de sa carte sur la sphère céleste dressée récemment par le satellite Planck

Le rayonnement fossile. © Caltech

Une vidéo extraite du site Du Big Bang au Vivant avec des commentaires de Jean-Pierre Luminet et Hubert Reeves. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com Youtube

L'événement à l'origine du rayonnement fossile que Planck observe aujourd'hui s'est produit il y a presque 13,7 milliards d'années, environ 380.000 ans après la « naissance » de l'univers observable. La température du plasma d'électrons, de noyaux légers et de photons contenus alors dans le cosmos a baissé suffisamment pour que des atomes se forment et, telle une brume se dissipant, la matière a enfin laissé libre cours à la lumière dont les photons ont pu commencer à parcourir l'univers.

Paradoxalement, ce fut aussi le début de ce que l'on appelle les Âges sombres car à cette époque où la matière normale neutre, sous forme essentiellement d'atomes d'hydrogène et d'hélium, commençait à se rassembler dans des zones de surdensités dominées par la matière noire, aucune étoile n'existait encore. Il faudra quelques centaines de millions d'années pour que la première génération d’étoiles, et aussi de trous noirs accrétant de la matière, réionise à nouveau une partie de l'étoffe cosmique. Les milliards de milliards d'étoiles géantes dans les galaxies en formation étaient donc devenues suffisamment nombreuses pour que l'on puisse alors parler d'une véritable renaissance cosmique mettant fin aux Âges sombres.

Une chronologie de l'histoire de l'univers observable, à lire de haut en bas. Après la recombinaison, les étoiles n'existent pas encore, pas plus que les galaxies. La matière baryonique de l'univers est constituée principalement d'atomes neutres d'hydrogène et d'hélium capables d'absorber de la lumière, c'est le début des Âges sombres (Dark Ages). Les étoiles se forment au cours des premières centaines de millions d'années et leur rayonnement ionise à nouveau une partie de la matière de l'univers qui devient transparente. C'est la renaissance cosmique (Cosmic Renaissance). Les galaxies se forment et se rassemblent ensuite en grandes structures. Tous ces phénomènes vont laisser des empreintes sur le rayonnement fossile émis et que nous observons maintenant avec WMap et Planck. © Caltech

Pourtant, les photons émis au moment de la recombinaison n'avaient pas disparu et ils sont même un milliard de fois plus nombreux que les nucléons présents dans l'univers observable. Cette véritable lumière fossile est encore présente autour de nous aujourd'hui mais, depuis son émission 380.000 ans après le Big Bang, l'expansion de l'univers n'a cessé d'en allonger la longueur d'onde et d'en faire baisser la température à la façon d'un gaz se détendant.

Neutrinos et ondes gravitationnelles, les autres fossiles

Il existe aussi d'autres « lumières » fossiles. Ainsi, bien que l'on sache maintenant qu'elles possèdent une légère masse et qu'elles ne se déplacent donc pas tout à fait à la vitesse de la lumière, les particules de matière que sont les neutrinos sont 3 milliards de fois plus abondantes que les nucléons et elles aussi nous traversent de part en part en permanence sans que nous ne nous en rendions compte.

Pendant un temps, on a même pensé, qu'avec leur très faible masse, les neutrinos dominaient tout de même la dynamique de la matière dans l'univers et qu'ils constituaient la fameuse matière noire dont on a besoin pour expliquer l'apparition des galaxies et la stabilité des amas de galaxies. Cette hypothèse a aujourd'hui été abandonnée, les neutrinos n'étant pas assez lourds, comme la découverte de leurs oscillations nous l'a appris. Cependant, si les particules de matière noire ne sont pas majoritairement des neutrinos, ces derniers apportent une petite contribution, qui n'est probablement pas négligeable, pour expliquer précisément les grandes structures dans l'univers.

Il y a enfin une autre « lumière », très primitive et très fondamentale celle-là, car il s'agit d'un état de vibration du tissu même de l'espace et du temps. Il s'agit des ondes gravitationnelles. On a des raisons de penser que, s'il a existé une phase d'expansion accélérée environ 10-35 seconde après le « début » de l'univers observable, comme l'implique la théorie de l'inflation, alors l'effet de ces ondes a été amplifié de telle sorte que des observations indirectes de ces dernières devraient être à portée de main.

Lorsque la théorie du Big Bang a commencé à recevoir ses premières confirmations observationnelles, avec justement la mise en évidence du rayonnement fossile laissé par la recombinaison, les cosmologistes n'ont pas tardé à comprendre qu'ils détenaient là un moyen d'étudier non seulement la « naissance » de l'univers observable mais aussi de mieux connaître sa forme, sa composition et même son histoire.

Pour cela, de même que l'étude du spectre des étoiles nous en a livré des informations de toutes sortes, y compris sur leur structure interne à l'aide de l'astérosismologie, il faut être capable de mesurer très précisément les caractéristiques de ce rayonnement fossile. C'est pourquoi des sondes, comme Cobe et WMap, ont été conçues et lancées. Elles ont révolutionné notre compréhension de l'univers et de la théorie du Big Bang. Aujourd'hui, c'est le satellite Planck de l'Esa qui leur succède et l'on attend beaucoup des informations qu'il va nous livrer en mesurant d'une façon inégalée les caractéristiques du rayonnement de fond diffus.

Voici quelques éléments pour comprendre l'enjeu et la difficulté de la mission Planck avant de plonger dans l'interview de l'une des cosmologistes françaises qui analyse les données que Planck est en train d'enregistrer en orbite autour du point de Lagrange L2.