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L'étude du rayonnement fossile

Dossier - Du corps noir aux trous noirs
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Corps noir et trous noirs, étonnamment, la relation entre les deux est aussi proche que le suggère leurs dénominations, et ce, d'une façon qu'aucun de ceux qui ont forgé ces dénominations ne pouvait le prévoir. Mais que recouvre donc ce mot énigmatique, le corps noir, et pourquoi occupe-t-il une position centrale dans la physique du siècle dernier et dans celle en train de naître de nos jours ? Tenter d'y répondre est l'objet de ce dossier.

  
DossiersDu corps noir aux trous noirs
 

A partir du début des années 70, la théorie du Big Bang était devenue l'outil standard pour aborder des problèmes de cosmologie, mais beaucoup de choses restaient encore à faire, comme comprendre précisément la genèse des galaxies, les détails de la nucléosynthèse des éléments légers (comme le lithium) ou encore l'origine de l'asymétrie matière-antimatière.

La forme de l'Univers restait encore à déterminer, était-il ouvert ou fermé, sa topologie connexe ou multiplement connexe ?

Bien d'autres questions encore aujourd'hui débattues, comme la nature de la matière noire dont l'existence commençait très lentement à s'imposer, ou encore le rôle de la théorie quantique des champs pour une éventuelle constante cosmologique, sans parler d'une théorie quantique de la gravitation ou de toutes les interactions (Ces théories sont nécessaires pour espérer peut-être comprendre la naissance de l'Univers lui-même) commençaient à pouvoir être posées scientifiquement et à avoir un début de réponse.

On ne pourra malheureusement pas aborder ces sujets fascinants, mais il était clair pour les cosmologistes de l'époque, que l'étude précise du rayonnement fossile micro-onde de fond, ou encore Cosmic Microwave Background (CMB), serait un outil important pour progresser.

En effet, les contrastes de densité nécessaires pour amorcer la formation des étoiles et des galaxies devaient se traduire par de légères fluctuations de température dans le CMB. Ces contrastes de densité eux-mêmes pouvaient être en relation avec des périodes très primitives de l'histoire de l'Univers où l'homogénéité, et surtout l'isotropie, des modèles de FRW n'étaient plus réalisées : on pouvait même imaginer un Univers en rotation laissant son empreinte dans les fluctuations de température du CMB. D'autres spéculaient aussi sur des ondes gravitationnelles émises par ces premiers instants de l'Univers et comme il s'agit du rayonnement le plus pénétrant de l'Univers l'opacité produite par le plasma primordial en ce qui concerne le rayonnement électromagnétique pouvait peut-être être surmontée en analysant d'infimes polarisations dans le CMB causées par ces ondes. On pouvait donc espérer en apprendre beaucoup plus sur les origines du cosmos.

Détails de la sonde COBE (Crédit : IAS Institut d'Astrophysique Spatiale).

Le projet COBE pour COsmic Background Explorer fut donc lancé. Il s'agissait de mettre en orbite une sonde spatiale avec des détecteurs refroidis par de l'hélium liquide pour enregistrer précisément le rayonnement fossile. Les résultats obtenus et rendus publics en 1992 furent spectaculaires. Le spectre du CMB était bien celui d'un corps noir presque parfait sur une large plage de longueurs d'ondes comme on s'y attendait. En outre, les fluctuations de température obtenues, après avoir soustrait tous les avants plans perturbant la mesure directe du CMB, étaient de l'ordre de 0,001%. Aucune des mesures précédentes ne s'étendaient sur une si large plage ni n'avaient un tel degré de précision !

Les fluctuations de température du rayonnement fossile à différents degrés de résolution mesurées par COBE. En haut, le caractère dipolaire est dû au déplacement de la Terre vis à vis du référentiel du CMB. Au milieu c'est la Voie Lactée que l'on aperçoit en tranche. Après soustraction des différentes composantes apparaissent enfin les fluctuations de 0,001 % nécessaires à la genèse des galaxies (Crédit : NASA).

Le modèle du Big Bang en sortait très renforcé mais on commençait déjà à comprendre que l'introduction d'une composante de matière noire devenait vraiment nécessaire pour cela. Les données obtenues fournissaient aussi des débuts de preuves en faveur d'une extension du modèle du Big Bang des années 60. La remarquable isotropie du CMB, le fait que la géométrie spatiale de l'Univers soit plate à une excellente approximation et certaines difficultés avec des modèles d'unification des interactions avaient en effet conduit à partir du début des années 80 au développement de ce qu'on appelle la théorie de l'inflation.

Là aussi, on n'abordera pas ce sujet qui nous emporterait trop loin, mais des théoriciens comme Alan Guth, Andrei Linde, et dans une moindre mesure Paul Steinhardt et Stephen Hawking, ont montré de façon convaincante que les problèmes mentionnés précédemment pouvait être résolus si un mystérieux champ scalaire, inspiré du champ de Higgs et baptisé l'inflaton, avait conduit à une phase d'expansion courte mais extrêmement importante de la taille de l'Univers.

Bien plus, la théorie de l'inflation se révéla capable de produire assez naturellement le bon spectre de fluctuations de densités nécessaires pour la genèse des galaxies et que l'on commençait à déduire des observations de COBE et de la structure des amas de galaxies à grandes échelles.

L'importance des résultats obtenus grâce à COBE vaudra le prix Nobel de physique 2006 pour John Mather et Georges Smoot, les deux architectes principaux d'un projet ayant nécessité des dizaines de personnes pour aboutir. Georges Smoot est bien connu du grand public pour son livre "les rides du temps" dans lequel il raconte comment, le jeune étudiant en physique des particules élémentaires du MIT qu'il était, avait attrapé le virus de la cosmologie. C'était en suivant le cours donné par le Prix Nobel Steven Weinberg dans cette université au milieu des années 70. Le reste du livre relate les différentes étapes du parcours qui l'amènera aux découvertes effectuées avec COBE.

Le prix Nobel de physique Georges Smoot (Crédit : LBNL).

Les résultats de COBE n'étaient que des préliminaires et une seconde sonde ne tarda pas à être lancé : Il s'agit bien sûr de WMAP.

Là encore les résultats furent remarquables et joints à d'autres observations ils permettent aujourd'hui de parler d'ère de la précision en cosmologie. L'abondance des données est telle que l'accord entre celles-ci et la théorie est devenu très robuste, on ne peut plus parler raisonnablement d'épicycles ajustables à volonté pour sauver la théorie du Big Bang.

Le spectre mesuré par WMAP est celui d'un corps noir avec une précision époustouflante (Crédit : NASA).
Comparaison de la précision atteinte au cours des ans pour la mesure du CMB (Crédit : NASA).

Il reste bien sûr quelques dégénérescences en ce qui concerne les modèles cosmologiques, mais les résultats de WMAP à eux seuls parlent déjà très fort en faveur d'un Univers proche de la densité critique, dominé par une constante cosmologique, et principalement constitué de matière noire inconnue comme on pourra le constater à la lecture de le pdf de David Spergel, l'un des responsables principaux de la mission WMAP, au colloque de l'école Chalonge en 2006 à Paris.

De gauche à droite David Spergel, James Peebles, Alan Guth, Paul Steinhardt, Lee Smolin, et Neil deGrasse Tyson (modérateur) (Crédit : AMNH).

La physique des anisotropies du rayonnement fossile est très riche, un bon site pour l'explorer est celui de Wayne Hu. Le rayonnement thermique cosmologique n'a pas encore livré tous ses secrets et la mission PLANCK de l'ESA qui sera lancée en 2008 devrait nous en apprendre encore plus. En succédant à WMAP, qui a déjà fourni des tests convaincants de l'inflation, cette sonde pourrait bien démontrer que Guth et Linde avaient vu juste et elle pourrait même nous donner des indications sur la physique du temps de Planck si l'on en croit des théoriciens comme Brian Greene. Il se pourrait que ce soit le seul et unique moyen de tester des théories comme celles des supercordes.

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