Il y a plus d’une décennie, Futura avait eu la chance et le privilège de vous parler de l’étude du rayonnement fossilefossile, la plus vieille lumière du cosmoscosmos observable, grâce à l’une des cosmologistes françaises qui participent à la mission PlanckPlanck : Laurence Perotto. Les explications qu’elle nous avait données nous avaient permis de suivre et de comprendre les découvertes faites avec le satellite de l’ESA, en complément de celles que nous avait ensuite données la hélas défunte Cécile Renault.
Le rayonnement fossile a été émis environ 380 000 ans après le Big BangBig Bang et nous le recevons aujourd’hui de la région de l’espace qui, du fait de l’expansion de l’Univers, se trouve désormais à plus de 45 milliards d’années-lumière de la Voie lactée. Les images capturées par le satellite Plancksatellite Planck étaient spectaculaires, mais comme pour toutes les missions dans l’espace, elles ont été prises avec une technologie figée au moment de la constructionconstruction. Il arrive parfois que des instruments sur Terre, que l’on peut upgrader à volonté, finissent par faire mieux que ceux en orbiteorbite loin de la Terre.
Pour ce qui est du rayonnement fossile, il a ainsi été possible d’aller un peu plus loin que Planck en utilisant l’Atacama Cosmology Telescope (ACT), un radiotélescoperadiotélescope de six mètres qui avait été installé sur le Cerro Toco, dans le désertdésert d’Atacama au nord du Chili, à une altitude de 5 190 mètres. L’ACT ne fonctionne plus depuis septembre 2022 après 15 ans passés à collecter des photonsphotons du Big Bang, mais les analyses des données qu’il a collectées sont toujours en cours.
Le rayonnement fossile, une preuve du Big Bang
Rappelons-nous qu’il y a 60 ans cette année, donc en 1965, Arno Penzias et Robert Wilson ont fait « accidentellement » la découverte du désormais célèbre rayonnement fossile, encore appelé fond diffus cosmologiquefond diffus cosmologique (FDC, ou CMB pour l’anglais cosmic microwave background, « fond cosmique de micro-ondes »).
Pour la grande majorité des cosmologistes et très rapidement au cours des quelques années qui vont suivre, c’est la preuve que le désormais défunt modèle cosmologique stationnaire, modèle négateur de la théorie du Big Bang de Lemaître et Gamow que l’on devait à Fred Hoyle, Hermann Bondi et Thomas Gold en 1948, est faux !
Il supposait que le cosmos n’avait ni commencement ni fin dans l’espace et dans le temps, bien qu’en expansion. Une création de matièrematière perpétuelle maintenait sa densité constante malgré l’expansion de l’Espace et permettait la formation de nouvelles étoilesétoiles et galaxiesgalaxies.
Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche
Dans les décennies qui vont suivre, les études du CMB vont confirmer de plus en plus clairement qu’il s’agit bien d’un rayonnement de corps noircorps noir avec une précision époustouflante et sur toute la voûte céleste. La dernière preuve la plus solidesolide de cette affirmation, on la doit à la mission Planck.
En effet, un rayonnement de corps noir se produit quand un contenu matériel chauffé va finir par obtenir une température d’équilibre stationnaire et uniforme, car toutes les parties à différentes températures de ce contenu ont eu le temps d’échanger de la chaleurchaleur, pour qu’au final la température soit la même partout. C’est parfaitement conforme à la théorie du Big Bang qui implique que dans un passé lointain, la matière du cosmos observable était rassemblée dans un volumevolume très petit et très chaud où toutes les distributions de cette matière pouvaient échanger de la chaleur pour s’uniformiser (la question de savoir pourquoi et comment ces parties étaient bien en contact reste encore problématique et a conduit à développer la fameuse théorie de l’inflation).
Dans l’Univers de Hoyle, Bondi et Gold, il n’y a jamais eu de phase dense et chaude et donc pas de possibilité de la formation d’un rayonnement de corps noir primitif. Enfin, en accord avec les idées et les calculs initialement avancés par Gamow et surtout Ralph Alpher, la théorie du Big Bang chaud de Gamow et Lemaître (oui il y a eu une théorie du Big Bang froid) prédisait correctement les abondances relatives des isotopesisotopes de l’hydrogènehydrogène et de l’héliumhélium dans le cosmos observable, un autre échec de la théorie du modèle cosmologique stationnaire.
Il est apparu également que le rayonnement fossile constituait une sorte de carte d’identité du cosmos dans lequel nous vivons, révélant son âge, son contenu en matière en énergie noireénergie noire, sa courbure et sa topologie, la date de l’émissionémission du CMB, ainsi que potentiellement l’existence d’une phase inflationnaire produite par une nouvelle physiquephysique, notamment avec des effets de gravitation quantique et selon la théorie avancée par le défunt Alexeï Starobinski.
Une des très intéressantes vidéos de vulgarisation de l’astronome Kirill Maslennikov, en poste au célèbre observatoire astronomique de Poulkovo situé au sud de Saint-Pétersbourg. Il y est question des contributions peu connues en général du physicien Andrei Sakharov à la théorie du Big Bang et à son étude à l’aide du rayonnement fossile. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en russe devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Qwerty
Le saviez-vous ?
La théorie du Big Bang froid, encore considérée et développée pendant quelque temps après 1965 par des chercheurs comme David Layzer, l’avait été par des légendes de l’envergure de Yakov Zel’dovich et Andrei Sakharov peu de temps avant la découverte du rayonnement fossile.
Il s’agissait d’une variante de la théorie de l’atome primitif de Lemaître, faisant naître le cosmos à partir de l’équivalent d’un noyau d’atome décrit par le modèle de la goutte liquide ou si l’on préfère d’une sorte d’étoile à neutrons. Le liquide nucléaire initial aurait été tout comme les noyaux ordinaires dans son état quantique fondamental et presque au zéro absolu.
Son entropie devait alors être quasi nulle et cela permettait naturellement de donner une flèche du temps en accord avec les principes de la thermodynamique statistique, avec l’ordre se transformant en désordre, et avec un noyau primitif en quelque sorte radioactif, comme l’avait proposé Lemaître, qui se serait pour cette raison fragmenté en entrant en expansion. La thermodynamique nous dit en effet que l’entropie croît avec le temps pour un système isolé, ce qui serait le cas de l’Univers entier puisqu’il est censé tout contenir. Dans le cadre de la théorie moderne du Big Bang « chaud », on a du mal à expliquer pourquoi le cosmos observable débute avec une entropie déjà élevée, comme l’a souligné à plusieurs reprises le prix Nobel de physique Roger Penrose.
Dès 1965, comme l’explique dans la vidéo ci-dessus, l’astronome russe Kirill Maslennikov, Sakharov avait même eu l’idée, reprise aujourd’hui dans le cadre de la théorie de l’inflation, que des fluctuations quantiques de la densité de ce liquide primordial allaient servir de germe pour l’effondrement gravitationnel de la matière donnant par la suite étoiles et galaxies.
Aujourd’hui, un article sur arXiv et un communiqué de l’Université de Princeton nous annoncent que les cosmologistes ont combiné les données de Planck avec celles de l’ACT, pour obtenir sur une portion de la voûte céleste l’image la plus précise jamais obtenue du rayonnement fossile. Pour se convaincre que c’était possible, il suffit de savoir que les instruments de l’ACT avaient une résolutionrésolution cinq fois supérieure à celle de Planck !
La polarisation de la plus vieille lumière de l’Univers observable
Dans le communiqué, Suzanne Staggs, directrice de l’ACT et professeure de physique Henry deWolf Smyth à l’Université de Princeton, explique qu’avec l’image obtenue, « nous assistons aux prémices de la formation des premières étoiles et galaxies. Et nous ne voyons pas seulement la lumière et l’obscurité, nous observons la polarisation de la lumière en haute résolution. C’est un facteur déterminant qui distingue l’ACT. Avant, nous voyions où se trouvaient les objets, et maintenant, nous voyons aussi comment ils se déplacent. Comme les maréesmarées permettent de déduire la présence de la LuneLune, le mouvementmouvement suivi par la polarisation de la lumière nous indique l’intensité de la force gravitationnelleforce gravitationnelle dans différentes parties de l’espace ».
De quoi s’agit-il quand on parle de la polarisation du rayonnement fossile ?
Rappelons que la lumière est un champ électromagnétiquechamp électromagnétique vectoriel, donc avec un champ électriquechamp électrique, que l’on peut représenter comme une petite flèche orthogonale à un rayon lumineux et dont la hauteur varie périodiquement dans le temps comme la longueur d’un ressort oscillant avec un poids. Si la flèche reste dans un plan de même orientation tout le long du trajet d’un rayon lumineux, on parle de polarisation linéaire. Elle peut aussi se déplacer en tournant avec son extrémité sur un cercle. On parle alors de polarisation circulaire.
On connaît certains effets d’interaction avec la matière qui vont produire naturellement une lumière polarisée, d’autres qui vont faire s’incliner d’un angle donné le vecteur champ électrique d’une onde lumineuse polarisée linéairement.
L’un des buts de la mission Planck était de mesurer non seulement les fluctuations de température du rayonnement fossile sur la voûte céleste, mais aussi de sa polarisation. Beaucoup d’informations pouvaient être déduites des analyses des données collectées de cette manière ; on espérait notamment détecter une polarisation produite par les ondes gravitationnellesondes gravitationnelles de la théorie de l’inflation primordiale en cosmologiecosmologie, les fameux modes B.
Hélas, la tâche est difficile car plusieurs phénomènes peuvent altérer la polarisation du rayonnement fossile et brouiller le signal recherché au point d’en produire un qui n’existe pas. C’est ce qui s’est produit avec l’effet de la poussière galactique dans la fameuse expérience Bicep2 il y a quelques années.
Une image qui apporte de nouvelles contraintes, mais pas de nouvelles physiques
L’article combinant les résultats de Planck et de l’ATC n’apportent pas de révolution.
L’analyse des données donne des résultats toujours parfaitement compatible avec un phase d’inflation primordiale avec une expansion exponentiellement rapide, mais transitoire de l’expansion du cosmos pendant le Big Bang.
L’existence de seulement trois types de neutrinosneutrinos est toujours favorisée.
La géométrie de l’espace semble toujours très proche d’un courbure nulle et donc d’un espace plat.
Il n’y a pas de trace d’une théorie de la gravitation différente de celle d’EinsteinEinstein.
On peut considérer une énergie noire variable, mais ce n’est pas particulièrement suggéré par les nouvelles données.
