QUEL EST LE FOND COSMIQUE DES MICRO-ONDES?

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Depuis des milliers d'années, l'être humain contemple l'Univers et cherche à déterminer sa véritable étendue. Au 20e siècle, les scientifiques ont commencé à comprendre à quel point l'Univers est vaste (et peut-être même sans fin).

Et en regardant plus loin dans l'espace, et plus loin dans le temps, les cosmologistes ont découvert des choses vraiment incroyables. Par exemple, au cours des années 1960, les astronomes ont pris conscience d'un rayonnement de fond micro-ondes détectable dans toutes les directions. Connue sous le nom de fond de micro-ondes cosmiques (CMB), l'existence de ce rayonnement a contribué à éclairer notre compréhension de la naissance de l'Univers.

La description:

Le CMB est essentiellement un rayonnement électromagnétique qui reste de la première époque cosmologique qui imprègne l'univers entier. On pense qu'il s'est formé environ 380 000 ans après le Big Bang et contient des indications subtiles sur la formation des premières étoiles et galaxies. Bien que ce rayonnement soit invisible à l'aide de télescopes optiques, les radiotélescopes sont capables de détecter le signal faible (ou lueur) qui est le plus fort dans la région micro-ondes du spectre radioélectrique.

Le CMB est visible à une distance de 13,8 milliards d'années-lumière dans toutes les directions de la Terre, ce qui a conduit les scientifiques à déterminer qu'il s'agit du véritable âge de l'Univers. Cependant, ce n'est pas une indication de l'étendue réelle de l'Univers. Étant donné que l'espace a été dans un état d'expansion depuis le début de l'Univers (et se développe plus rapidement que la vitesse de la lumière), le CMB est simplement le plus éloigné dans le temps que nous puissions voir.

Relation avec le Big Bang:

Le CMB est au cœur de la théorie du Big Bang et des modèles cosmologiques modernes (tels que le modèle Lambda-CDM). Selon la théorie, lorsque l'Univers est né il y a 13,8 milliards d'années, toute la matière était condensée en un seul point de densité infinie et de chaleur extrême. En raison de la chaleur et de la densité extrêmes de la matière, l'état de l'Univers était très instable. Soudain, ce point a commencé à s'étendre et l'Univers tel que nous le connaissons a commencé.

À cette époque, l'espace était rempli d'une lueur uniforme de particules de plasma chauffées à blanc - qui se composaient de protons, de neutrons, d'électrons et de photons (lumière). Entre 380 000 et 150 millions d'années après le Big Bang, les photons interagissaient constamment avec les électrons libres et ne pouvaient pas parcourir de longues distances. D'où la raison pour laquelle cette époque est communément appelée «l'âge des ténèbres».

Alors que l'Univers continuait de se développer, il s'est refroidi au point où les électrons ont pu se combiner avec des protons pour former des atomes d'hydrogène (alias la période de recombinaison). En l'absence d'électrons libres, les photons ont pu se déplacer sans entrave à travers l'Univers et il a commencé à apparaître comme il le fait aujourd'hui (c'est-à-dire transparent et imprégné de lumière). Au cours des milliards d'années écoulées, l'Univers a continué de se développer et de se refroidir considérablement.

En raison de l'expansion de l'espace, les longueurs d'onde des photons ont augmenté (sont devenues «décalées vers le rouge») à environ 1 millimètre et leur température effective a diminué juste au-dessus du zéro absolu - 2,7 Kelvin (-270 ° C; -454 ° F). Ces photons remplissent le magazine Space et apparaissent comme une lueur d'arrière-plan qui peut être détectée dans les longueurs d'onde infrarouge lointain et radio.

Histoire de l'étude:

L'existence du CMB a été théorisée pour la première fois par le physicien ukrainien-américain George Gamow, avec ses étudiants, Ralph Alpher et Robert Herman, en 1948. Cette théorie était basée sur leurs études des conséquences de la nucléosynthèse des éléments légers (hydrogène, hélium et lithium) au tout début de l'Univers. Essentiellement, ils ont réalisé que pour synthétiser les noyaux de ces éléments, l'Univers primitif devait être extrêmement chaud.

Ils ont en outre théorisé que le rayonnement résiduel de cette période extrêmement chaude pénétrerait l'Univers et serait détectable. En raison de l'expansion de l'Univers, ils ont estimé que ce rayonnement de fond aurait une basse température de 5 K (-268 ° C; -450 ° F) - juste cinq degrés au-dessus du zéro absolu - ce qui correspond aux longueurs d'onde micro-ondes. Ce n'est qu'en 1964 que les premiers éléments de preuve pour le CMB ont été détectés.

C'est le résultat des astronomes américains Arno Penzias et Robert Wilson utilisant le radiomètre Dicke, qu'ils avaient l'intention d'utiliser pour des expériences de radioastronomie et de communication par satellite. Cependant, lors de leur première mesure, ils ont remarqué un excès de température d'antenne de 4,2 K qu'ils ne pouvaient pas expliquer et ne pouvaient s'expliquer que par la présence d'un rayonnement de fond. Pour leur découverte, Penzias et Wilson ont reçu le prix Nobel de physique en 1978.

Initialement, la détection du CMB était une source de discorde entre les partisans de différentes théories cosmologiques. Alors que les partisans de la théorie du Big Bang ont affirmé qu'il s'agissait du «rayonnement relique» laissé par le Big Bang, les partisans de la théorie de l'état stable ont fait valoir que c'était le résultat de la lumière stellaire dispersée de galaxies lointaines. Cependant, dans les années 1970, un consensus scientifique s'était dégagé qui favorisait l'interprétation du Big Bang.

Au cours des années 80, les instruments au sol imposaient des limites de plus en plus strictes aux différences de température du CMB. Il s'agit notamment de la mission soviétique RELIKT-1 à bord du satellite Prognoz 9 (qui a été lancé en juillet 1983) et de la mission NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (dont les résultats ont été publiés en 1992). Pour leur travail, l'équipe COBE a reçu le prix Nobel de physique en 2006.

Le COBE a également détecté le premier pic acoustique du CMB, des oscillations acoustiques dans le plasma qui correspondent à des variations de densité à grande échelle dans le premier univers créées par des instabilités gravitationnelles. De nombreuses expériences ont suivi au cours de la prochaine décennie, qui consistaient en des expériences au sol et en ballon dont le but était de fournir des mesures plus précises du premier pic acoustique.

Le deuxième pic acoustique a été provisoirement détecté par plusieurs expériences, mais n'a été définitivement détecté que lorsque la sonde d'anisotropie hyperfréquence Wilkinson (WMAP) a été déployée en 2001. Entre 2001 et 2010, lorsque la mission a été terminée, WMAP a également détecté un troisième pic. Depuis 2010, plusieurs missions surveillent le CMB pour fournir des mesures améliorées de la polarisation et des variations de densité à petite échelle.

Ceux-ci incluent des télescopes au sol comme QUEST at DASI (QUaD) et le South Pole Telescope à la station Amudsen-Scott South Pole, et le télescope Atacama Cosmology Telescope et Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) au Chili. Pendant ce temps, le Planck le vaisseau spatial continue de mesurer le CMB depuis l'espace.

L'avenir du CMB:

Selon diverses théories cosmologiques, l'Univers pourrait à un moment donné cesser de s'étendre et commencer à s'inverser, aboutissant à un effondrement suivi d'un autre Big Bang - alias. la théorie du Big Crunch. Dans un autre scénario, connu sous le nom de Big Rip, l'expansion de l'Univers finira par entraîner la déchirure de toute la matière et de l'espace-temps.

Si aucun de ces scénarios n'est correct et que l'Univers continue de se développer à un rythme accéléré, le CMB continuera le décalage vers le rouge au point où il ne sera plus détectable. À ce stade, il sera dépassé par la première lumière stellaire créée dans l'Univers, puis par les champs de rayonnement de fond produits par des processus supposés se produire dans l'avenir de l'Univers.

Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur le fond des micro-ondes cosmiques ici à Space Magazine. Voici ce qu'est le rayonnement cosmique de fond des micro-ondes?, Big Bang Theory: Evolution of our Universe, What was Cosmic Inflation? La quête pour comprendre l'univers le plus ancien, Landmark Discovery: de nouveaux résultats fournissent des preuves directes de l'inflation cosmique, et à quelle vitesse l'expansion de l'univers? Hubble et Gaia s'associent pour effectuer les mesures les plus précises à ce jour.

Pour plus d'informations, consultez la page de mission WMAP de la NASA et la page de mission Planck de l'ESA.

Astronomy Cast a également des informations sur le sujet. Écoutez ici: Épisode 5 - Le fond du Big Bang et des micro-ondes cosmiques

Sources: