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Se rapprocher le plus possible du moment exact du Big Bang est l’un des principaux objectifs des astronomes. C’est-à-dire le moment où toute la matière et l’énergie qui composent l’Univers observable aujourd’hui ont commencé à s’étendre à partir d’une singularité de l’espace-temps.
La lumière la plus ancienne du cosmos que les humains peuvent observer s’appelle le fond diffus cosmologique. Le rayonnement de fond cosmologique nous a fourni l’une des données cosmologiques les plus importantes de l’histoire de la science.
L’origine du fond diffus cosmologique
Au début de son existence, l’Univers était extrêmement chaud en raison de sa température insondable. En conséquence, la matière était incapable de s’organiser comme elle le fait aujourd’hui. Il n’y avait donc pas d’atomes. Le cosmos était une « soupe » de particules subatomiques qui empêchaient les photons de voyager dans l’espace comme ils le font aujourd’hui en raison de l’immense énergie qu’elles contenaient.
Les atomes ne pouvaient pas exister dans l’Univers car il était trop chaud et trop dense. Les protons et les électrons ne faisaient que « danser » dans le plasma qui constituait l’Univers primitif, même s’ils existaient déjà. Le problème est que la lumière ne pouvait pas se déplacer librement car elle ne pouvait pas éviter d’entrer en collision avec des particules chargées électriquement.
Les particules appelées photons qui permettent à la lumière d’exister étaient piégées dans le plasma d’origine. Un proton absorbait immédiatement un photon s’il essayait de se déplacer, puis le renvoyait. Les rayons lumineux ne pouvaient plus se déplacer sans être immédiatement interceptés par une particule.
Mais l’Univers a commencé à se refroidir et à perdre de la densité par expansion, permettant aux atomes de se former 380 000 ans après sa création. Pour que les protons et les électrons puissent former la structure atomique et que les photons puissent se déplacer, ils ont dû perdre suffisamment d’énergie. La lumière n’interagit pas avec un atome car elle est globalement neutre. En outre, les ondes lumineuses peuvent déjà voyager à ce moment-là.
La découverte du fond diffus cosmologique
Le fond diffus cosmologique est ainsi nommé parce qu’il remplit l’Univers entier et peut être trouvé dans toutes les directions et en tous points. En 1948, le physicien George Gamow et ses collègues Ralph A. Alpher et Robert Hermann ont prédit son existence.
Pour trouver ce rayonnement, Robert Henry Dicke a construit le « radiomètre de Dicke » en 1964. Il a placé cet appareil au plafond de son laboratoire, mais n’a pas réussi à localiser les vestiges du fossile du Big Bang.
Aux Laboratoires Bell, les physiciens Arno Penzias et Robert Wilson ont commencé à tester l’antenne de Holmdel en 1965. Les deux hommes ont essayé de faire fonctionner l’antenne pendant plusieurs semaines sans succès. Ils ne parvenaient pas à éliminer le bruit de fond.
Bien qu’Arno Penzias et Robert Wilson connaissent les travaux de Dicke à l’université de Princeton, ils n’ont pas lu les travaux du groupe Gamow sur la prédiction du fond cosmologique et la genèse de l’Univers. Ils ont appelé Dicke pour lui parler du problème du bruit de l’antenne de Holmdel. Dicke a immédiatement compris que le fond diffus cosmologique, le support le plus convaincant de la théorie du Big Bang, était ce qu’ils avaient découvert.
Quelques années plus tard, en 1978, Arno Penzias et Robert Wilson ont reçu le prix Nobel de physique pour leur découverte fortuite du fond diffus cosmologique.
Les études récentes sur le fond diffus cosmologique
Au cours des dernières décennies, l’étude du fond diffus cosmologique a subi une profonde transformation. Un grand nombre d’observations indépendantes ont permis d’établir un modèle robuste et fascinant de l’origine, de la composition et de la structure de l’Univers.
La mission COBE
Le Cosmic Background Explorer (COBE) était la première mission de recherche cosmologique de la NASA. Il a été mis en orbite le 18 novembre 1989. Grâce à ses instruments scientifiques, il a cartographié avec précision la température du fond diffus cosmologique dans toutes les directions de l’espace.
COBE a mesuré que la température du fond diffus cosmologique était de -273 °C. Les variations de température du fond diffus cosmologique sont incroyablement faibles (seulement une partie par million).
Les résultats de la mission COBE ont valu à John Mather, chercheur principal de la mission, et à George Smoot le prix Nobel de physique 2006. Ils ont développé le radiomètre différentiel à micro-ondes. Il s’agit d’un appareil capable de mesurer les différences de température dans le fond diffus cosmologique avec une précision d’une partie par 100 000.
La mission WMAP
La NASA a lancé la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) en 2001 pour effectuer une mesure très sensible de la température du fond diffus cosmologique. WMAP a utilisé des radiomètres micro-ondes différentiels pour mesurer les différences de température entre deux points quelconques du ciel.
Alors que COBE a été construit pour surveiller des échelles angulaires de 7 degrés, WMAP pouvait distinguer des détails jusqu’à 2 dixièmes de degré. La comparaison montre que WMAP pouvait analyser le fond diffus cosmologique à un niveau beaucoup plus fin. Il a enregistré la température du fond diffus cosmologique à -270,43 degrés Celsius.
La mission Planck
L’Agence spatiale européenne (ESA) a lancé la mission Planck le 14 mai 2009. Avec une précision de deux millionièmes, l’objectif de l’instrument était de mesurer les anisotropies de température du fond diffus cosmologique d’une taille supérieure à 10 minutes d’arc. En matière de sensibilité, Planck a surpassé les missions COBE et WMAP.