Science: le rayonnement fossile - ce que Planck nous en révèle

David

https://sciencetonnante.wordpress.com/2013/03/25/le-rayonnement-fossile/

Si vous suivez l’actualité, l’image ci-contre doit vous être familière. Il s’agit de la carte du rayonnement fossile de l’Univers, publiée cette semaine en grande pompe par l’Agence Spatiale Européenne, et qui a été établie grâce aux données collectées depuis 4 ans par le satellite Planck.

Après la découverte du boson de Higgs par le CERN en juillet dernier, c’est donc la deuxième fois en moins d’un an qu’une avancée scientifique fait la une des journaux. Mais tout comme le boson de Higgs, pas forcément facile de comprendre vraiment de quoi il s’agit et pourquoi c’est important.

Je vais donc essayer de faire la lumière sur le rayonnement fossile !

Le rayonnement fossile, une découverte fortuite

Cela fait maintenant plusieurs dizaines d’années que la théorie du Big Bang est universellement acceptée. Mais comme pour toute théorie révolutionnaire, il n’en a pas toujours été ainsi : bien qu’elle ait été formulée dans les années 30, de nombreux chercheurs ont longtemps estimé que l’on manquait de preuves. Le terme « Big Bang » a d’ailleurs été inventé comme une expression ironique par un de ses détracteurs.

On peut comprendre les réticences de certains opposants de l’époque : la théorie du Big Bang nous dit qu’il y a bien longtemps, l’Univers était fabuleusement chaud, dense et ratatiné sur lui-même; il devrait donc bien rester quelque part des traces de cette époque incroyable ! Dans les années 40, le physicien Ralph Alpher a justement essayé d’apporter une réponse à cette question, en prédisant que l’ensemble de l’Univers devait être baigné d’un faible rayonnement électromagnétique, une sorte de fossile datant de l’époque du Big Bang. Sauf qu’à l’époque, personne n’avait trouvé un tel rayonnement !

C’est en 1964 que deux radio-astronomes, Penzias et Wilson finissent par découvrir par hasard ce rayonnement fossile : à l’aide d’une antenne (que l’on voit ci-contre), ils cherchaient à capter tout autre chose, mais n’arrivaient pas à s’affranchir d’un bruit persistant. Ils ne connaissaient pas les travaux d’Alpher, mais la communauté finit par se convaincre qu’ils avaient bel et bien mis la main sur le fameux rayonnement fossile.

Cette découverte fut la plus spectaculaire des confirmations de la théorie du Big Bang, et valu à Penzias et Wilson le prix Nobel en 1978…mais rien pour Alpher qui avait pourtant prédit son existence (une injustice dont les théoriciens mettront longtemps à se remettre.)

Le rayonnement fossile, qu’est-ce que c’est ?

On entend parfois que le rayonnement fossile, que l’on appelle aussi fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background ou CMB en anglais) est une image de la naissance de l’Univers. En réalité, il s’agit plutôt d’une photo de son adolescence tumultueuse. Voyons un peu le déroulement des faits.

Lors de sa prime enfance, l’Univers était tellement chaud que la matière telle qu’on la connait aujourd’hui n’existait pas encore. Quelques instants après le Big Bang, les premières particules comme les protons et les neutrons apparaissent. Mais il fait encore bien trop chaud pour que les électrons se joignent aux protons pour former des atomes. Les protons et les électrons sont donc séparés les uns des autres, et la matière est dans cet état que l’on appelle plasma.

Mais au fur et à mesure que l’Univers s’étend, il se refroidit et sa température finit par passer sous les 3000 degrés. A cette température plus modérée, les électrons peuvent enfin rejoindre les protons et former les premiers atomes stables. Ce phénomène est appelé la recombinaison, et il s’accompagne d’un grand changement. Quand les protons étaient seuls, ils passaient leur temps à émettre et absorber de la lumière. Celle-ci ne pouvait donc jamais voyager bien loin car le moindre proton qui se trouvait là pouvait l’absorber. Mais une fois que les protons se sont associés aux électrons pour former les atomes, ils deviennent presque indifférents à la lumière qui passe près d’eux : la matière devient transparente et la lumière peut se propager sans encombres.