Une image du rayonnement de fond micro-ondes cosmique, prise par le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne (ESA) en 2013, montre les petites variations à travers le ciel
(Image: © ESA / Planck Collaboration)
On pense que le fond de micro-ondes cosmique (CMB) est le rayonnement résiduel du Big Bang, ou le moment où l'univers a commencé. Selon la théorie, lorsque l'univers est né, il a subi une inflation et une expansion rapides. (L'univers est toujours en expansion aujourd'hui et le taux d'expansion semble différent selon l'endroit où vous regardez). Le CMB représente la chaleur restante du Big Bang.
Vous ne pouvez pas voir le CMB à l'œil nu, mais il est partout dans l'univers. Il est invisible pour les humains car il fait si froid, à seulement 2,725 degrés au-dessus du zéro absolu (moins 459,67 degrés Fahrenheit, ou moins 273,15 degrés Celsius.) Cela signifie que son rayonnement est plus visible dans la partie micro-ondes du spectre électromagnétique.
Origines et découverte
L'univers a commencé il y a 13,8 milliards d'années et le CMB remonte à environ 400 000 ans après le Big Bang. En effet, aux premiers stades de l'univers, alors qu'il n'était que le cent millionième de sa taille actuelle, sa température était extrême: 273 millions de degrés au dessus de zéro absolu, selon la NASA.
Tous les atomes présents à ce moment-là ont été rapidement séparés en petites particules (protons et électrons). Le rayonnement du CMB dans les photons (particules représentant des quantums de lumière ou d'autres rayonnements) a été diffusé par les électrons. "Ainsi, les photons ont erré à travers l'univers primitif, tout comme la lumière optique erre dans un brouillard dense", a écrit la NASA.
Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'univers était suffisamment froid pour que de l'hydrogène puisse se former. Parce que les photons CMB sont à peine affectés par la frappe d'hydrogène, les photons se déplacent en ligne droite. Les cosmologistes se réfèrent à une "surface de dernière diffusion" lorsque les photons CMB ont touché la dernière matière; après cela, l'univers était trop grand. Ainsi, lorsque nous cartographions le CMB, nous remontons dans le temps à 380 000 ans après le Big Bang, juste après que l'univers était opaque aux radiations.
Le cosmologiste américain Ralph Apher a prédit le CMB pour la première fois en 1948, alors qu'il travaillait avec Robert Herman et George Gamow, selon la NASA. L'équipe effectuait des recherches liées à la nucléosynthèse du Big Bang, ou à la production d'éléments dans l'univers en plus de l'isotope (type) le plus léger de l'hydrogène. Ce type d'hydrogène a été créé très tôt dans l'histoire de l'univers.
Mais le CMB a d'abord été retrouvé par accident. En 1965, deux chercheurs des Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias et Robert Wilson) étaient en train de créer un récepteur radio et ont été intrigués par le bruit qu'il captait. Ils ont vite réalisé que le bruit venait uniformément de partout dans le ciel. Au même moment, une équipe de l'Université de Princeton (dirigée par Robert Dicke) tentait de trouver le CMB. L'équipe de Dicke a eu vent de l'expérience de Bell et a réalisé que le CMB avait été trouvé.
Les deux équipes ont rapidement publié des articles dans le Astrophysical Journal en 1965, avec Penzias et Wilson parlant de ce qu'ils ont vu, et l'équipe de Dicke expliquant ce que cela signifie dans le contexte de l'univers. (Plus tard, Penzias et Wilson ont tous deux reçu le prix Nobel de physique en 1978).
Étudier plus en détail
Le CMB est utile aux scientifiques car il nous aide à apprendre comment le premier univers s'est formé. Il est à une température uniforme avec seulement de petites fluctuations visibles avec des télescopes précis. "En étudiant ces fluctuations, les cosmologistes peuvent en apprendre davantage sur l'origine des galaxies et les structures à grande échelle des galaxies et ils peuvent mesurer les paramètres de base de la théorie du Big Bang", a écrit la NASA.
Alors que des parties du CMB ont été cartographiées dans les décennies qui ont suivi sa découverte, la première carte spatiale plein ciel est venue de la mission Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA, qui a été lancée en 1989 et a cessé ses opérations scientifiques en 1993. Cette «photo de bébé »De l'univers, comme l'appelle la NASA, a confirmé les prédictions de la théorie du Big Bang et a également montré des indices de structure cosmique qui n'avaient pas été vus auparavant. En 2006, le prix Nobel de physique a été décerné aux scientifiques du COBE John Mather au Godaard Space Flight Center de la NASA et George Smoot à l'Université de Californie à Berkeley.
Une carte plus détaillée a été publiée en 2003 avec l'aimable autorisation de la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), qui a été lancée en juin 2001 et a cessé de collecter des données scientifiques en 2010. La première image fixe l'âge de l'univers à 13,7 milliards d'années (une mesure depuis affinée à 13,8 milliards ans) et a également révélé une surprise: les étoiles les plus anciennes ont commencé à briller environ 200 millions d'années après le Big Bang, bien plus tôt que prévu.
Les scientifiques ont suivi ces résultats en étudiant les tout premiers stades d'inflation de l'univers (dans le billionième de seconde après la formation) et en donnant des paramètres plus précis sur la densité atomique, la grosseur de l'univers et d'autres propriétés de l'univers peu de temps après sa formation. Ils ont également constaté une étrange asymétrie des températures moyennes dans les deux hémisphères du ciel et un "point froid" plus grand que prévu. L'équipe WMAP a reçu le prix révolutionnaire 2018 en physique fondamentale pour son travail.
En 2013, les données du télescope spatial Planck de l'Agence spatiale européenne ont été publiées, montrant l'image la plus précise du CMB à ce jour. Les scientifiques ont découvert un autre mystère avec ces informations: les fluctuations du CMB à grande échelle angulaire ne correspondaient pas aux prédictions. Planck a également confirmé ce que WMAP a vu en termes d'asymétrie et de point froid. La publication finale des données de Planck en 2018 (la mission a fonctionné entre 2009 et 2013) a montré plus de preuves que la matière noire et l'énergie noire - des forces mystérieuses qui sont probablement derrière l'accélération de l'univers - semblent exister.
D'autres efforts de recherche ont tenté d'examiner différents aspects du CMB. L'un consiste à déterminer les types de polarisation appelés modes E (découverts par l'interféromètre à échelle angulaire en Antarctique en 2002) et modes B. Les modes B peuvent être produits à partir de la lentille gravitationnelle des modes E (cette lentille a été vue pour la première fois par le télescope du pôle Sud en 2013) et des ondes gravitationnelles (qui ont été observées pour la première fois en 2016 à l'aide de l'observatoire avancé des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser, ou LIGO). En 2014, l'instrument BICEP2 basé en Antarctique aurait trouvé des modes B d'ondes gravitationnelles, mais d'autres observations (y compris des travaux de Planck) ont montré que ces résultats étaient dus à la poussière cosmique.
À la mi-2018, les scientifiques recherchent toujours le signal montrant une brève période d'expansion rapide de l'univers peu de temps après le Big Bang. À cette époque, l'univers devenait plus grand à un rythme plus rapide que la vitesse de la lumière. Si cela se produisait, les chercheurs soupçonnent que cela devrait être visible dans le CMB à travers une forme de polarisation. Une étude de cette année a suggéré qu'une lueur de nanodiamants crée une lumière faible, mais perceptible, qui interfère avec les observations cosmiques. Maintenant que cette lueur est prise en compte, les futures investigations pourraient la supprimer pour mieux rechercher la faible polarisation dans le CMB, ont déclaré les auteurs de l'étude à l'époque.
Ressource supplémentaire
- NASA: Tests du Big Bang: le CMB
