DE L'ASTRONOMIE : fond diffus cosmologique

     Depuis qu'ils ont une conscience, la question fondamentale que se posent les hommes est toujours la même : d'où venons-nous ? On peut la formuler autrement : comment s'est créé l'univers dans lequel nous vivons ? Oui, comment ? Au delà des conceptions religieuses qui durant des siècles, selon les pays et les hommes, ont prévalu, c'est à l'astronomie moderne que l'on doit un début d'explication et ce n'est pas si vieux...

 
     En fait, tout part d'Einstein et de sa théorie de la relativité générale (voir sujet théorie de la relativité générale), théorie qui permet de donner une description à grande échelle de l'Univers et sert accessoirement de point de départ à la cosmologie moderne (voir glossaire). Arguant de sa toute nouvelle théorie, Einstein fut en effet le premier à tenter une explication de l'espace en introduisant une hypothèse aujourd'hui bien acceptée : l'Univers est homogène, c'est à dire que son observation ne dépend pas de la position de son observateur ou, en d'autres termes, que l'Homme n'y occupe aucune situation particulière. Quel que soit l'endroit où l'on se trouve, on n'est jamais au centre de l'Univers, tout simplement parce qu'il n'y a pas de centre : l'Univers est partout homogène, à savoir toujours égal à lui-même où que l'on soit. C'est ce que l'on appelle aujourd'hui le principe cosmologique.

     C'était pourtant une hypothèse hardie pour son époque (1917) si l'on se rappelle qu'aucun objet n'avait été décrit en dehors de la Voie lactée. En revanche, Einstein voyait cet Univers comme statique ce qui, par la suite, s'est révélé faux. D'ailleurs, dès cette époque, d'autres scientifiques comme le néerlandais Willem de Sitter (1872-1934), le russe Alexander Friedmann (1888-1925), l'americano-russe George Gamow ou l'abbé belge Georges Lemaître (1894-1966), concluaient, à partir des mêmes équations, à un Univers en expansion. Ce sont les observations de Edwin Hubble, dans les années vingt, qui donneront raison à ces derniers. Il mit effectivement en évidence des galaxies extérieures à la Voie lactée (voir sujet céphéides) et surtout, que ces galaxies s'éloignent les unes des autres. Si l'Univers est en expansion, il se refroidit et, par voie de conséquence, on peut donc avancer qu'il était plus chaud à l'origine : il y a donc bien eu un point de départ, le Big Bang.

 

 le Big Bang

 
     Si l'Univers est en expansion, on peut en réalité avancer deux grandes explications :

 
          * il y a conservation de la matière qui, petit à petit, se dilue au fur et à mesure de cette expansion : on en revient à un point d'origine, le Big Bang ;

 
          * la matière se crée et se détruit sans cesse dans la même proportion et on se trouve dans un univers stationnaire qui, selon cette conception, est ici éternel et toujours le même.

 
     C'est cette deuxième hypothèse qui aura au début le plus d'adeptes parmi lesquels, le britannique Fred Hoyle (1915-2001), connu notamment pour avoir créé le terme de Big Bang afin de se moquer de la théorie rivale de la sienne. Il faut dire que jusque dans les années 40, le taux d'expansion de l'univers était notoirement surévalué (et donc son âge sous-évalué) et on en arrivait au paradoxe que les études géologiques de notre planète la décrivaient comme plus ancienne que l'Univers lui-même... Il faudra attendre qu'une évaluation plus précise de l'âge de l'Univers remette en selle le Big Bang...

 
     Quoi qu'il en soit, les deux théories s'opposaient sans que l'une d'entre elles prenne le pas sur l'autre de manière définitive et c'est à cet instant que le hasard entra en jeu.

la découverte de Penzias et Wilson

 
     Nous sommes alors en 1964. Deux radioastronomes, Arno Penzias et Robert Wilson, travaillent pour la compagnie américaine de téléphonie Bell. Ils viennent d'entrer en possession d'une antenne ayant servi à la communication avec des satellites artificiels et, comme ils cherchent à mesurer le rayonnement radio de la Voie lactée, ils décident de transformer l'antenne en radiotélescope. Désirant la calibrer, ils cherchent à mesurer les bruits de fond respectifs de la Voie lactée et de l'atmosphère terrestre. Ils découvrent ainsi un autre bruit de fond, jusqu'alors inconnu, qu'ils attribuent à un artefact de leur installation.

     Durant plusieurs semaines, ils vont tout faire pour éliminer ce bruit, allant même jusqu'à chasser les pigeons des alentours dont les déjections, pensent-ils, sont susceptibles de provoquer le bruit parasite. Rien n'y fait. Le bruit intempestif se situe dans la longueur d'onde 7,35 cm et, traduit en chaleur d'antenne, correspond à une température du ciel de 2,7 K ; il ne varie pas en fonction du temps ou des saisons et est constant quelle que soit la direction observée. Perplexité des deux chercheurs... Les deux hommes ne sont pas trop au courant des travaux menés par ailleurs en cosmologie (dont les données théoriques sur le Big Bang prédisent la réalité d'un tel signal) et c'est par hasard qu'ils confient leur problème à des collègues astronomes. On se rend vite à l'évidence : les deux chercheurs de chez Bell ont découvert les traces radio du fond diffus cosmologique, une découverte qui leur vaudra quelques années plus tard, en 1978, le prix Nobel de physique.

 

le fond diffus cosmologique

 
     C'est le rayonnement électromagnétique le plus ancien de l'Univers. On a déjà dit que l'Univers est en expansion et, si l'on s'en réfère à la théorie du Big Bang, qu'il a été beaucoup plus chaud par le passé. Si chaud même qu'il fut une époque où la propagation de la lumière a été beaucoup plus difficile et que les rayons lumineux, au lieu de se propager comme de nos jours, ont été difractés par la matière dense du début, un peu à la manière des phares d'une voiture par temps de brouillard. Le temps passant et l'expansion de l'Univers progressant, cette matière s'est faite proportionnellement plus ténue ouvrant un passage sans obstacle aux photons lumineux : l'Univers est devenu transparent. On sait aujourd'hui que la transparence de l'Univers est apparue environ 380 000 ans après le Big Bang. L'onde électromagnétique découverte par Penzias et Wilson et qui correspond au rayonnement d'un corps noir (voir glossaire) à 3 degrés Kelvin (comme le prévoyait la théorie) est donc le reliquat – ou l'image – du temps où l'Univers était encore opaque et cette observation indiscutable est une preuve considérable en faveur de la réalité du Big Bang par opposition à la théorie de l'Univers stationnaire.

 

 la théorie du Big Bang s'impose

 
     La découverte du fond diffus cosmologique fut le premier et peut-être le plus célèbre des arguments en faveur de la théorie du Big Bang et de l'expansion de l'Univers.

 
     L'expansion de l'Univers, rappelons-le, est la conséquence directe de la théorie de la relativité générale d'Einstein : celle-ci explique en effet que tous les composants de l'Univers sont soumis à des forces dépendant des différentes formes de la matière. Depuis le Big Bang et jusqu'à aujourd'hui, notre Univers s'est dilaté dans toutes les directions (en créant un espace à la manière d'une éponge qui se dilate mais en dehors de laquelle rien n'existe) et, connaissant les propriétés physiques de toutes ces formes de matière, il est possible de décrire les caractéristiques de cette expansion. Non seulement nous sommes capables de connaître le taux d'expansion actuel de l'Univers (c'est la constante de Hubble, voir sujet céphéides) mais aussi son expansion du passé. Par ailleurs, on comprend facilement – et pour schématiser – que cette expansion est la résultante du mouvement d'étirement du début moins les forces de gravitation qui attirent les objets (galaxies, étoiles, etc.) les uns vers les autres.

     On aurait donc pu s'attendre à un ralentissement de cette expansion ou, au moins, à sa stabilisation. C'est tout le contraire qui s'est produit puisque, en 1998, les astronomes sont arrivés à la conclusion que l'expansion s'accélère ! (voir le sujet : l'expansion de l'Univers). Ce fut une véritable surprise puisqu'il fallait admettre l'existence d'une forme d'énergie, appelée depuis énergie sombre (voir sujet matière noire et énergie sombre) qui s'oppose à la gravitation... Quelle est la nature de cette énergie sombre ? Nul ne le sait. De même que l'on ne comprend pas pourquoi la matière visible qui compose l'Univers ne représente que le cinquième d'une « matière noire » dont les caractéristiques sont inconnues (on a calculé sa masse à partir des mouvements des galaxies) et déjà prédite en 1932 par Einstein et de Sitter. Energie sombre, matière noire, que de questions sans réponses mais n'est-ce pas cela qui fait tout l'intérêt de la science en général et de l'astronomie en particulier ?

 Glossaire (in Wikipedia France)

 
     * cosmologie : la cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.

 
     * corps noir : en physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet matériel n'existe pas, mais il représente un cas idéalisé servant de référence pour les physiciens. Contrairement à ce que son nom suggère, un corps noir n'apparaît pas forcément noir. En effet l'adjectif «noir» signifie ici que l'objet lui-même absorbe toute la lumière extérieure qui tomberait sur lui, et ne reflète aucune radiation non plus. La seule radiation provenant du corps noir est la radiation thermique, ne dépendant que de la température du corps. Concernant le fond diffus cosmologique, celui-ci, selon la théorie du Big Bang, se devait d'avoir les caractéristiques d'un corps noir, ce qui fut effectivement démontré.

     nota : comme cela est précisé dans le sujet "la couleur des étoiles", une étoile peut être assimilée à un corps noir : c'est même la raison pour laquelle il est possible de connaître sa température de surface.

Brêve : le satellite Planck confirme et précise ce que l'on sait du fond diffus cosmologique (mars 2013)

    Après avoir cartographié le ciel dans toutes les directions entre l'été 2009 et janvier 2012, le satellite européen Planck a permis la publication d'une photographie époustouflante du fonds diffus cosmologique, complétant celle de 2003 de la NASA. Plus encore, le satellite Planck a permis d'affiner nos connaissances des premiers instants de l'Univers en recalculant tous les paramètres cosmologiques. On peut donc aujourd'hui affirmer que 1. l'Univers est âgé de 13,82 milliards d'années, que 2. il est composé de 4,9% de poussières, gaz et galaxies, de 26,8 % de matière noire et de 68,3 % d'énergie sombre. Planck nous confirme également que l'Univers est bien en expansion mais en précisant qu'il s'étend à la vitesse de 67 km par seconde...

      Au delà de ces chiffres qui, déjà en eux-mêmes, sont un exploit, le satellite Planck nous conforte dans l'idée que le modèle cosmogonique standard de l'Univers est bien celui auquel il faut se référer (confirmation du Big bang, de l'inflation, etc.)..

     Et dire que la plus grande partie du décryptage de cette moisson de nouvelles données est à peine ébauché !

     On trouvera l'image rapportée par le satellite Planck à l'adresse suivante : www.cieletespace.fr/node/10241
 

 
Images

1. fond diffus cosmologique photographié par le satellite WMAP, de la NASA, en 2003 (sources : wikipedia.fr)
          Nota : c'était l'image la plus précise du fond diffus cosmologique avant celle publiée en mars 2013 par l'équipe du télescope spatial européen Planck voir la brêve ci-dessus). Elle a été prise par le satellite MAP (microwave anisotropy probe) et a confirmé l'âge de l'Univers : 13,7 milliards d'années (à 100 millions d'années près). Outre le fait que MAP a permis de déterminer la naissance des premières étoiles (les étoiles primordiales) à seulement 200 000 ans après le Big Bang (ce qui est une surprise), les astronomes ont également pu calculer grâce à lui la répartition de la matière dans l'Univers : 4 % de matière ordinaire, 23 % de matière sombre, le reste (presque les trois-quarts !) est probablement l'énergie noire expliquant (?) l'accélération de l'expansion de l'Univers...

2. Robert Wilson (à gauche) et Arno Penzias (à droite)

(sources : pierresiffre.spaces.live.com/)

3. l'expansion de l'univers depuis le big bang (sources : www.thetriplehelix.org/)