Sciences · Astronomie et espace
Le fond diffus cosmologique
Le fond diffus cosmologique est la plus ancienne lumière observable de l’Univers, émise environ 380 000 ans après le Big Bang. Refroidie par l’expansion, elle baigne aujourd’hui tout le ciel à 2,725 K, soit environ −270 °C.
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Le fond diffus cosmologique, aussi appelé rayonnement fossile ou CMB (Cosmic Microwave Background), est l’une des trois grandes preuves du Big Bang. C’est une lumière qui vient de toutes les directions du ciel, presque parfaitement uniforme, dans le domaine des micro-ondes. Une petite partie de la « neige » des anciens téléviseurs analogiques, environ 1 %, en provenait.
D’où vient cette lumière ?
Pendant ses 380 000 premières années, l’Univers était un plasma brûlant d’électrons, de protons et de photons. La lumière ne pouvait pas s’y propager en ligne droite : elle était sans cesse diffusée par les électrons libres, comme dans un brouillard.
Quand l’Univers, en se dilatant, s’est refroidi jusqu’à environ 3 000 K (2 700 °C), les électrons se sont associés aux noyaux pour former des atomes neutres d’hydrogène et d’hélium. C’est la recombinaison. Le brouillard s’est dissipé : la lumière a pu voyager librement. Celle qui nous parvient aujourd’hui a voyagé pendant environ 13,8 milliards d’années.
Une découverte par hasard
| Date | Événement |
|---|---|
| 1948 | Ralph Alpher et Robert Herman prédisent un rayonnement résiduel de quelques kelvins |
| 1964-1965 | Arno Penzias et Robert Wilson, aux Bell Labs, détectent un bruit radio persistant venant de toutes les directions |
| 1965 | L’équipe de Robert Dicke, à Princeton, qui cherchait ce rayonnement, l’identifie |
| 1978 | Prix Nobel de physique pour Penzias et Wilson |
Penzias et Wilson, qui travaillaient sur une antenne destinée aux télécommunications, ont d’abord soupçonné les fientes de pigeons nichés dans l’antenne. Après nettoyage, le bruit était toujours là : il venait du cosmos.
Les grandes missions spatiales
| Mission | Agence | Période | Apport principal |
|---|---|---|---|
| COBE | NASA | 1989-1993 | Spectre de corps noir parfait ; premières fluctuations détectées (Nobel 2006 pour John Mather et George Smoot) |
| WMAP | NASA | 2001-2010 | Carte détaillée, âge de l’Univers précisé |
| Planck | ESA | 2009-2013 | Carte la plus précise du ciel entier, résultats finaux publiés en 2018 |
Des télescopes au sol, notamment en Antarctique et dans le désert d’Atacama au Chili, continuent de mesurer ses détails les plus fins.
Ce que révèlent les fluctuations
Le rayonnement est uniforme à environ 1 pour 100 000 près. Ces infimes variations de température, représentées en bleu et rouge sur les cartes célèbres, sont les empreintes des fluctuations de densité de l’Univers primordial. Les régions un peu plus denses ont attiré la matière et sont devenues, des milliards d’années plus tard, les galaxies et les amas de galaxies.
L’analyse statistique de ces taches permet de mesurer avec précision :
- l'âge de l’Univers : 13,8 milliards d’années (voir âge de l’Univers) ;
- sa composition : environ 5 % de matière ordinaire, 27 % de matière noire et 68 % d'énergie noire ;
- sa géométrie : l’Univers est « plat » à grande échelle, à la précision des mesures ;
- le taux d’expansion, dont la valeur déduite du fond diffus diffère de celle mesurée localement : c’est la « tension de Hubble ».
La limite de ce que l’on peut voir
Le fond diffus marque une frontière : aucune lumière plus ancienne ne peut nous parvenir, car l’Univers était opaque avant. Les points d’où elle a été émise sont aujourd’hui à environ 46 milliards d’années-lumière, au bord de l'Univers observable. Pour sonder les instants antérieurs, il faudra utiliser les neutrinos ou les ondes gravitationnelles primordiales.
Questions fréquentes
Peut-on voir le fond diffus cosmologique ?
Pas à l’œil nu : il émet dans les micro-ondes. On le détecte avec des radiotélescopes et des satellites refroidis à des températures proches du zéro absolu.
Pourquoi est-il si froid ?
Parce que l’expansion de l’Univers a étiré sa lumière. Émis à environ 3 000 K, il n’est plus qu’à 2,725 K, juste au-dessus du zéro absolu.
Le fond diffus prouve-t-il le Big Bang ?
C’est l’une de ses preuves les plus fortes : seul un Univers passé par une phase très chaude et dense explique un rayonnement venant de partout avec un spectre de corps noir aussi parfait.