{"id":4394,"date":"2013-03-25T04:01:08","date_gmt":"2013-03-25T03:01:08","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=4394"},"modified":"2013-03-25T04:01:08","modified_gmt":"2013-03-25T03:01:08","slug":"le-rayonnement-fossile","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2013\/03\/25\/le-rayonnement-fossile\/","title":{"rendered":"Le rayonnement fossile, et ce que Planck nous en r\u00e9v\u00e8le"},"content":{"rendered":"

\"planck-carte-CMB\"<\/a>Si vous suivez l’actualit\u00e9, l’image ci-contre doit vous \u00eatre famili\u00e8re. Il s’agit de la carte du rayonnement fossile de l’Univers, publi\u00e9e cette semaine en grande pompe par l’Agence Spatiale Europ\u00e9enne, et qui a \u00e9t\u00e9 \u00e9tablie gr\u00e2ce aux donn\u00e9es collect\u00e9es depuis 4 ans par le satellite Planck<\/strong>.<\/p>\n

Apr\u00e8s la d\u00e9couverte du boson de Higgs par le CERN en juillet dernier, c’est donc la deuxi\u00e8me fois en moins d’un an qu’une avanc\u00e9e scientifique fait la une des journaux. Mais tout comme le boson de Higgs, pas forc\u00e9ment facile de comprendre vraiment de quoi il s’agit et pourquoi c’est important.<\/p>\n

Je vais donc essayer de faire la lumi\u00e8re sur le rayonnement fossile !<\/p>\n

Le rayonnement fossile, une d\u00e9couverte fortuite<\/h3>\n

Cela fait maintenant plusieurs dizaines d’ann\u00e9es que la th\u00e9orie du Big Bang est universellement accept\u00e9e. Mais comme pour toute th\u00e9orie r\u00e9volutionnaire, il n’en a pas toujours \u00e9t\u00e9 ainsi : bien qu’elle ait \u00e9t\u00e9 formul\u00e9e dans les ann\u00e9es 30, de nombreux chercheurs ont longtemps estim\u00e9 que l’on manquait de preuves<\/strong>. Le terme \u00ab\u00a0Big Bang\u00a0\u00bb<\/em> a d’ailleurs \u00e9t\u00e9 invent\u00e9 comme une expression ironique par un de ses d\u00e9tracteurs.<\/p>\n

On peut comprendre les r\u00e9ticences de certains opposants de l’\u00e9poque : la th\u00e9orie du Big Bang nous dit qu’il y a bien longtemps, l’Univers \u00e9tait fabuleusement chaud, dense et ratatin\u00e9 sur lui-m\u00eame; il devrait donc bien rester quelque part des traces de cette \u00e9poque incroyable ! Dans les ann\u00e9es 40, le physicien Ralph Alpher a justement essay\u00e9 d’apporter une r\u00e9ponse \u00e0 cette question, en pr\u00e9disant que l’ensemble de l’Univers devait \u00eatre baign\u00e9 d’un faible rayonnement \u00e9lectromagn\u00e9tique<\/strong>, une sorte de fossile datant de l’\u00e9poque du Big Bang. Sauf qu’\u00e0 l’\u00e9poque, personne n’avait trouv\u00e9 un tel rayonnement !<\/p>\n

\"penzias-wilson\"<\/a>C’est en 1964 que deux radio-astronomes, Penzias et Wilson finissent par d\u00e9couvrir par hasard ce rayonnement fossile : \u00e0 l’aide d’une antenne (que l’on voit ci-contre), ils cherchaient \u00e0 capter tout autre chose, mais n’arrivaient pas \u00e0 s’affranchir d’un bruit persistant. Ils ne connaissaient pas les travaux d’Alpher, mais la communaut\u00e9 finit par se convaincre qu’ils avaient bel et bien mis la main sur le fameux rayonnement fossile<\/strong>.<\/p>\n

Cette d\u00e9couverte fut la plus spectaculaire des confirmations de la th\u00e9orie du Big Bang, et valu \u00e0 Penzias et Wilson le prix Nobel en 1978…mais rien pour Alpher qui avait pourtant pr\u00e9dit son existence (une injustice dont les th\u00e9oriciens mettront longtemps \u00e0 se remettre.)<\/p>\n

Le rayonnement fossile, qu’est-ce que c’est ?<\/h3>\n

On entend parfois que le rayonnement fossile, que l’on appelle aussi fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background<\/em> ou CMB en anglais) est une image de la naissance de l’Univers. En r\u00e9alit\u00e9, il s’agit plut\u00f4t d’une photo de son adolescence tumultueuse<\/strong>. Voyons un peu le d\u00e9roulement des faits.<\/p>\n

Lors de sa prime enfance, l’Univers \u00e9tait tellement chaud que la mati\u00e8re telle qu’on la connait aujourd’hui n’existait pas encore. Quelques instants apr\u00e8s le Big Bang, les premi\u00e8res particules comme les protons et les neutrons apparaissent. Mais il fait encore bien trop chaud pour que les \u00e9lectrons se joignent aux protons pour former des atomes.<\/strong> Les protons et les \u00e9lectrons sont donc s\u00e9par\u00e9s les uns des autres, et la mati\u00e8re est dans cet \u00e9tat que l’on appelle plasma<\/strong>.<\/p>\n

Mais au fur et \u00e0 mesure que l’Univers s’\u00e9tend, il se refroidit et sa temp\u00e9rature finit par passer sous les 3000 degr\u00e9s. A cette temp\u00e9rature plus mod\u00e9r\u00e9e, les \u00e9lectrons peuvent enfin rejoindre les protons et former les premiers atomes stables. Ce ph\u00e9nom\u00e8ne est appel\u00e9 la recombinaison<\/strong>, et il s’accompagne d’un grand changement. Quand les protons \u00e9taient seuls, ils passaient leur temps \u00e0 \u00e9mettre et absorber de la lumi\u00e8re. Celle-ci ne pouvait donc jamais voyager bien loin car le moindre proton qui se trouvait l\u00e0 pouvait l’absorber. Mais une fois que les protons se sont associ\u00e9s aux \u00e9lectrons pour former les atomes, ils deviennent presque indiff\u00e9rents \u00e0 la lumi\u00e8re<\/strong> qui passe pr\u00e8s d’eux : la mati\u00e8re devient transparente et la lumi\u00e8re peut se propager sans encombres.<\/p>\n

\"recombinaison\"<\/a><\/p>\n

La recombinaison s’est produite environ 380 000 ans apr\u00e8s le Big Bang, et puisque la lumi\u00e8re \u00e9mise \u00e0 l’\u00e9poque n’a ensuite presque plus interagi avec la mati\u00e8re, elle se propage depuis 14 milliards d’ann\u00e9es \u00e0 travers l’Univers<\/strong> : c’est cette lumi\u00e8re qui constitue le rayonnement fossile. Comme je vous le disais, ce rayonnement n’est donc pas exactement une image de la naissance de l’Univers, mais plut\u00f4t de ce que ce dernier \u00e9tait \u00e0 l’\u00e2ge de 380 000 ans.<\/p>\n

Un rayonnement glacial<\/h3>\n

Pour mieux comprendre la nature du rayonnement fossile, il faut penser \u00e0 la lumi\u00e8re qu’\u00e9mettent les objets tr\u00e8s chauds : leur couleur d\u00e9pend de la temp\u00e9rature. Ainsi un morceau de fer que l’on chauffe va se mettre \u00e0 rougeoyer, puis devenir orange, jaune et enfin blanc au fur et \u00e0 mesure que la temp\u00e9rature augmente. Ce ph\u00e9nom\u00e8ne est en fait tr\u00e8s g\u00e9n\u00e9ral, et toute mati\u00e8re \u00e9met un rayonnement qui d\u00e9pend de sa temp\u00e9rature<\/strong>. Ainsi votre corps qui est \u00e0 37\u00b0C \u00e9met lui aussi un rayonnement, mais situ\u00e9 dans le domaine des infra-rouges, et qu’on ne peut r\u00e9v\u00e9ler qu’avec ces capteurs sp\u00e9ciaux qui \u00e9quipent les lunettes de vision nocturne des soldats d’\u00e9lite.<\/p>\n

Revenons au Big-Bang : au moment o\u00f9 a eu lieu la recombinaison, l’Univers \u00e9tait \u00e0 une temp\u00e9rature d’environ 3000\u00b0C<\/strong>. Si vous aviez pu observer cela \u00e0 l’\u00e9poque, vous auriez vu s’\u00e9chapper une \u00e9clatante lumi\u00e8re blanche; et c’est cette lumi\u00e8re qui se propage depuis partout dans l’Univers. Mais il y a un hic : quand on observe le ciel la nuit, on ne voit aucune lumi\u00e8re blanche \u00e9clatante ! Que s’est-il pass\u00e9 ? Eh bien maintenant la lumi\u00e8re n’est plus blanche du tout !<\/p>\n

\"spectre_CMB\"<\/a>A cause de l’expansion de l’Univers, la longueur d’onde de la lumi\u00e8re a chang\u00e9 et s’est beaucoup allong\u00e9e (voir mon billet \u00e0 ce sujet<\/a> pour en savoir plus). Elle est pass\u00e9e de quelques centaines de nanom\u00e8tres \u00e0 quelques millim\u00e8tres. Le rayonnement ne correspond donc plus du tout aux longueurs d’ondes de la lumi\u00e8re visible, mais \u00e0 celles que l’on appelle \u00ab\u00a0micro-ondes\u00a0\u00bb. Oui oui, ce sont les m\u00eames ondes qui sont produites par votre four et qui peuvent r\u00e9chauffer vos aliments !<\/p>\n

Une autre mani\u00e8re de le dire, c’est qu’\u00e0 cause de l’expansion de l’Univers, le rayonnement fossile n’est plus celui d’un corps chauff\u00e9 \u00e0 3000\u00b0C, mais plut\u00f4t celui qu’\u00e9mettrait un corps dont la temp\u00e9rature serait -270.5\u00b0C, c’est-\u00e0-dire 2.7 degr\u00e9s seulement au dessus du z\u00e9ro absolu<\/strong> ! L’image ci-contre illustre comment la dilatation des longueurs due \u00e0 l’expansion de l’Univers a transform\u00e9 un rayonnement \u00e0 3000K (comportant des longueurs d’ondes visibles) en un rayonnement \u00e0 environ 3K, et invisible \u00e0 nos yeux.<\/p>\n

De COBE \u00e0 Planck<\/h3>\n

Quand les premi\u00e8res observations du rayonnement fossile ont \u00e9t\u00e9 effectu\u00e9es, on a d’abord v\u00e9rifi\u00e9 qu’il venait bien de toutes les directions (logique, puisqu’il doit baigner l’ensemble de l’Univers). Mais on a aussi remarqu\u00e9 que la temp\u00e9rature qui correspondait (2.7 kelvins, donc) \u00e9tait toujours la m\u00eame quelle que soit la direction du ciel dans laquelle on regardait<\/strong>. Apr\u00e8s tout, rien de surprenant non plus, cela ne fait que traduire le fait que l’Univers est extr\u00eamement homog\u00e8ne.<\/p>\n

Toutefois on sait que si on regarde bien, l’Univers n’est pas exactement homog\u00e8ne, la preuve en est qu’il existe des galaxies, et que ces derni\u00e8res sont regroup\u00e9es en amas dans certaines parties de l’Univers. Les cosmologistes soup\u00e7onnent que si l’Univers actuel est tr\u00e8s l\u00e9g\u00e8rement inhomog\u00e8ne, cela doit r\u00e9sulter d’infimes inhomog\u00e9n\u00e9it\u00e9s qui existaient d\u00e9j\u00e0 dans les premiers instants du Big-Bang<\/strong>. Ces inhomog\u00e9n\u00e9it\u00e9s, on doit donc pouvoir les d\u00e9tecter dans le rayonnement fossile.<\/p>\n

\"COBE_CMB\"<\/a>En 1992, une premi\u00e8re mission a \u00e9t\u00e9 lanc\u00e9e par la NASA pour essayer de mesurer de l\u00e9g\u00e8res variations de la temp\u00e9rature du rayonnement fossile selon la direction d’observation. Le r\u00e9sultat de cette exp\u00e9rience (qui valu le prix Nobel \u00e0 ses concepteurs en 2006) est repr\u00e9sent\u00e9 ci-contre : on y voit une carte du ciel qui repr\u00e9sente les fluctuations de temp\u00e9rature du rayonnement<\/strong> autour de sa valeur moyenne de 2.725 K. Les fluctuations maximales sont inf\u00e9rieures \u00e0 un milli\u00e8me de degr\u00e9 !<\/p>\n

Ces fluctuations sont comme des rides minuscules dans le rayonnement fossile, mais elles contiennent beaucoup d’informations sur l’\u00e9tat de l’Univers tel qu’il \u00e9tait au moment de la recombinaison. En observant dans le d\u00e9tails ces petites fluctuations, on peut en principe en d\u00e9duire par exemple la courbure de l’Univers ou encore sa composition en mati\u00e8re noire. Les fluctuations du rayonnement fossile sont donc comme un livre dans lequel on pourrait lire (presque) toutes les r\u00e9ponses que se posent les cosmologistes !<\/strong><\/p>\n

C’est pour cela qu’apr\u00e8s COBE, deux autres missions ont \u00e9t\u00e9 lanc\u00e9es pour am\u00e9liorer la mesure des fluctuations : WMAP en 2001, et Planck en 2009. En comparant l’image de COBE \u00e0 celle de Planck (en d\u00e9but de ce billet), vous pouvez appr\u00e9cier l’am\u00e9lioration<\/strong> : un peu comme si vous veniez de multiplier par 100 le nombre de pixels de votre appareil photo num\u00e9rique !<\/p>\n

Au fait, si vous vous demandez pourquoi ces cartes du rayonnement ont des formes ovales : quand on mesure le rayonnement dans toutes les directions qui nous entourent, on obtient une carte qui a la forme du ciel, c’est-\u00e0-dire une sph\u00e8re. Mais pour repr\u00e9senter cette sph\u00e8re, on fait ce que l’on a l’habitude de faire pour le globe terrestre : on fait une projection. Cette forme ovale est donc l’exact analogue des mappemondes projet\u00e9es qui repr\u00e9sentent continents et oc\u00e9ans.<\/p>\n

Ce que Planck nous r\u00e9v\u00e8le<\/h3>\n

\"planck_small\"<\/a>L’analyse pr\u00e9cise des donn\u00e9es fournies par Planck a donc permis d’am\u00e9liorer la pr\u00e9cision avec laquelle on connait les grands param\u00e8tres qui d\u00e9crivent le mod\u00e8le du Big Bang, et notamment l’\u00e2ge de l’Univers (officiellement maintenant 13.8 milliards d’ann\u00e9es), la vitesse d’expansion de celui-ci, la r\u00e9partition du contenu de l’Univers entre mati\u00e8re normale (5%), mati\u00e8re noire (27%) et \u00e9nergie noire (68%)<\/strong>.<\/p>\n

D’une certaine mani\u00e8re, les r\u00e9sultats de Planck sont un peu frustrants, car ils ne r\u00e9v\u00e8lent aucune surprise ! Le mod\u00e8le actuel est confirm\u00e9, on am\u00e9liore encore la pr\u00e9cision des mesures, mais pas de nouvelle inattendue susceptible de bouleverser notre compr\u00e9hension de la cosmologie<\/strong>. Un peu comme le boson de Higgs…quoique ! Un petit point a en effet retenu l’attention des scientifiques. Il semble qu’en moyenne, la temp\u00e9rature de l’Univers soit tr\u00e8s tr\u00e8s l\u00e9g\u00e8rement asym\u00e9trique, avec un c\u00f4t\u00e9 un chouilla plus froid et l’autre un chouilla plus chaud. Comme si l’Univers avait un axe privil\u00e9gi\u00e9, ce qui va \u00e0 l’encontre de toutes les hypoth\u00e8ses de la cosmologie jusqu’\u00e0 l’heure actuelle. Affaire \u00e0 suivre !<\/p>\n

Pour aller plus loin…<\/em><\/h3>\n

Pour comprendre comment on analyse les fluctuations du rayonnement fossile, il faut penser \u00e0 ce que l’on ferait si on voyait une mer en apparence calme, mais parcourue par de tr\u00e8s fines vagues et vaguelettes. On aurait par exemple envie de conna\u00eetre l’intensit\u00e9 des vagues et leur longueur d’onde. Il nous faut donc ce qu’on appelle un spectre de puissance, qui donne la composition des fluctuations en fonction des longueurs d’onde.<\/em><\/p>\n

Pour faire \u00e7a sur la mer, on aurait recours \u00e0 un outil classique du traitement du signal : la transform\u00e9e de Fourier. C’est en quelque sorte la m\u00eame chose que l’on va faire avec les donn\u00e9es du rayonnement fossile, sauf que l’on ne se situe pas sur un plan mais \u00e0 la surface d’une sph\u00e8re. Pour ceux qui auraient des bases de physique atomique, les fonctions qu’on utilise pour faire \u00ab\u00a0de la transform\u00e9e de Fourier sur une sph\u00e8re\u00a0\u00bb sont les harmoniques sph\u00e9riques ! Comme vous vous en souvenez peut-\u00eatre, celles-ci sont index\u00e9es par un entier g\u00e9n\u00e9ralement not\u00e9 l, et auquel on peut penser comme \u00e9tant l’analogue sph\u00e9rique du vecteur d’onde quand on fait une transform\u00e9e de Fourier dans l’espace.<\/em><\/p>\n

Le spectre des fluctuations du rayonnement fossile est donc une courbe qui donne l’intensit\u00e9 des fluctuations en fonction de l. La courbe obtenue par Planck est repr\u00e9sent\u00e9e ci-dessous.<\/em><\/p>\n

\"Planck_spectre_fluctuations\"<\/a>La courbe verte repr\u00e9sente le fit \u00e0 la th\u00e9orie, et on voit que l’ajustement est tr\u00e8s bon ! Les barres d’erreur les plus grandes sont pour les faibles l, c’est \u00e0 dire les fluctuations \u00e0 grande \u00e9chelle angulaire. La fameuse asym\u00e9trie est donc dans cette zone un peu incertaine. <\/em><\/p>\n

Ce qu’il y a de fascinant avec cette courbe, c’est qu’elle contient implicitement tous les grands param\u00e8tres qui d\u00e9finissent le mod\u00e8le du Big-Bang aujourd’hui en vigueur. Par exemple la position du premier pic nous renseigne sur la courbure de l’Univers (proche de z\u00e9ro, c’est \u00e0 dire tristement plat dans notre cas !), la taille du second pic r\u00e9v\u00e8le la densit\u00e9 de baryons, le troisi\u00e8me pic indique la quantit\u00e9 de mati\u00e8re noire, etc.<\/em><\/p>\n

Pour revenir \u00e0 la fameuse asym\u00e9trie apparente, il y a quelque chose de perturbant qui est qu’elle est exactement align\u00e9e avec le plan de l’\u00e9cliptique du syst\u00e8me solaire. C’est \u00e9videmment une dr\u00f4le de co\u00efncidence, et fleure donc bon l’erreur syst\u00e9matique. Toutefois tout a \u00e9t\u00e9 v\u00e9rifi\u00e9 et rien ne semble l’expliquer. S’agit-il de la signature d’une nouvelle physique ? On voudrait le croire. D’ailleurs certaines mauvaises langues disent que les rapporteurs de la mission Planck ont exag\u00e9r\u00e9ment insist\u00e9 sur ce r\u00e9sultat, histoire de ne pas donner l’impression que Planck n’avait finalement trouv\u00e9 rien de bien neuf.<\/em><\/p>\n

Heureusement pour garder un peu d’espoir, il reste encore pas mal \u00e0 manger dans Planck. Une partie des donn\u00e9es n’ont pas encore \u00e9t\u00e9 r\u00e9v\u00e9l\u00e9es, et les r\u00e9sultats concernent la polarisation du rayonnement fossile. Et il se pourrait bien que ces donn\u00e9es r\u00e9v\u00e8lent l’existence des ondes gravitationnelles ! Ce serait une belle nouvelle, et grillerait quelque peu la politesse aux exp\u00e9riences g\u00e9antes VIRGO et LIGO cens\u00e9es les d\u00e9tecter au sol…<\/em><\/p>\n

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