LE RAYONNEMENT FOSSILE    




Nous baignons dans une lumière diffuse émise il y a une douzaine de milliards d'années, alors que l'Univers était trois milliards de fois plus petit qu'aujourd'hui. C'est l'une des preuves les plus solides de la justesse de la théorie du big bang...


Christian Magnan
Collège de France, Paris
Université de Montpellier II


Notre oeil ne perçoit que les rayonnement « visibles », c'est-à-dire ceux dont la longueur d'onde se situe en gros entre 0,4 et 0,8 micron. De ce fait nous avons tendance à penser que nous pourrions connaître l'Univers en nous en tenant à ce seul domaine spectral. Mais les techniques de ce siècle nous ont permis d'accéder de façon courante à d'autres classes de longueur d'onde, soit plus courtes (au-delà du violet, dans l'ultraviolet et plus loin), soit plus longues (en deçà du rouge, dans l'infrarouge et plus loin), et cette ouverture sur d'autres fenêtres nous a fait réaliser des découvertes marquantes. Ainsi nous détectons actuellement dans l'infrarouge une lumière diffuse émise peu après la naissance de l'Univers mais avant la formation des étoiles et des galaxies, à une époque où le monde devait consister en une masse gazeuse plus ou moins indifférenciée. Expliquons ce qu'il en est.

Selon la théorie du big bang, elle-même issue des équations de la théorie de la gravitation d'Einstein, l'Univers était à l'origine dans un état de température et de densité si élevées que le rayonnement était hautement prépondérant sur la matière. Celle-ci n'a pu se former que par la suite, lorsque la température fut devenue suffisamment basse (si l'on peut dire !), de l'ordre du milliard de degrés. Puis a débuté une phase au cours de laquelle les échanges ont contribué à maintenir un équilibre entre l'une et l'autre forme d'énergie.

Enfin, au bout de quelques centaines de milliers d'années, se produisit un événement qui explique la présence actuelle d'un rayonnement diffus : le milieu universel ne cessant sous l'effet de l'expansion de se diluer dans un volume de plus en plus vaste se trouva s'éclaircir assez brutalement en libérant d'un seul coup la lumière que la matière retenait prisonnière. Alors qu'auparavant la densité de matière était si forte que les photons, sans cesse absorbés dès qu'ils étaient émis, n'avaient pas pu nous parvenir, au contraire, une fois établie la transparence du monde à l'échelle universelle, la lumière se propagea librement sans rencontrer d'obstacle.

Lors du découplage entre matière et rayonnement qui donna lieu à cet éclaircissement de l'Univers, la température commune de ces deux constituants était d'environ 4500 degrés. C'est dans ces conditions que fut émis le rayonnement que nous pouvons qualifier de « primordial » et qui, depuis quelque douze milliards d'années, poursuit sa route à travers le monde. Nous recevons aujourd'hui ceux de ses photons que la Terre intercepte. Seulement le rayonnement a changé d'aspect.

Rappelons-nous : la longueur d'onde d'un rayonnement suit fidèlement l'étirement de l'espace (comme l'intervalle entre les deux fourmis suivait l'allongement de l'élastique). Par conséquent, les différentes radiations constituant la lumière fossile ont vu leur longueur d'onde augmenter en accompagnant l'espace dans son expansion. Plus précisément l'Univers aurait grossi dans ses dimensions linéaires d'un facteur 1500 environ (auquel correspond un facteur 1500×1500×1500, soit plus de 3 milliards en volume) entre l'époque où le rayonnement a été émis et celle où nous le recevons. Les longueurs d'onde sont donc toutes 1500 fois plus grandes qu'à l'origine : au départ exprimées en fractions de microns elles appartiennent aujourd'hui au domaine millimétrique.

Corrélativement - car qui dit longueur d'onde plus grande dit énergie plus petite et donc aussi température plus petite, dans la même proportion - le rayonnement observé correspond de nos jours à une température de trois degrés (2,7 si on tient à être précis), ce nombre trois provenant, d'après le raisonnement, de la réduction par le facteur 1500 (représentant l'effet de l'expansion) des 4500 degrés de départ.

Vieux de douze milliards d'années puisque s'étant propagé pendant ce laps de temps mais aussi étonnamment jeune puisque témoin de phases fort précoces de l'histoire du monde, ce rayonnement fossile diffus constitue l'une des preuves éclatantes de la justesse de l'idée connue sous le nom de « big bang » selon laquelle notre monde est né dans un état de compression extrême pour entamer une prodigieuse expansion. Bien que le soubassement théorique de cette vision du monde soit fourni par la théorie de la relativité d'Einstein, l'invention du big bang est à porter au crédit de Alexandre Friedmann (1888-1925) et Georges Lemaître (1894-1966).

Pour avoir découvert ce rayonnement fossile en 1963, de façon fortuite d'ailleurs, Penzias et Wilson reçurent le prix Nobel. Ils projetaient d'utiliser pour des observations de radioastronomie une antenne chargée à l'origine de capter les signaux des satellites Echo et Telstar. L'instrument avait été conçu selon des caractéristiques spéciales qui le rendaient particulièrement apte à observer de très faibles émissions radio à des longueurs d'onde relativement peu courantes, de l'ordre de quelques centimètres, alors que les grands radio-télescopes classiques étaient prévus pour observer des longueurs d'onde plus grandes. Procédant au réglage et au calibrage de leur instrument ils s'aperçurent de la présence d'un bruit de fond radio parasite dont ils ne parvenaient pas à se débarrasser. Bien leur a pris de s'acharner sur la difficulté et de faire confiance à leur savoir-faire technique. Bien leur a pris aussi de faire part de leur problème à d'autres chercheurs qui, eux, pour les raisons théoriques exposées ci-dessus, pouvaient s'attendre plus ou moins à l'existence d'une telle émission dans cette région de longueur d'onde. S'il pouvait subsister quelques doutes dans l'identification du rayonnement à l'époque même où il fut découvert, ceux-ci sont dorénavant complètement levés. Étant donné l'importance de l'étude du fond diffus cosmologique, un satellite, COBE, lui a été entièrement consacré.

Le rayonnement cosmique fossile possède deux caractéristiques tout à fait exceptionnelles, que voici.

La première est l'extrême degré de précision avec laquelle la répartition de son intensité lumineuse en fonction de la couleur suit la loi théorique connue sous le nom de loi du « corps noir ». C'est même le seul rayonnement de corps noir qu'on trouve dans la nature. Cette loi de corps noir, appelée aussi loi de Planck est valable lorsque le rayonnement est emprisonné par la matière (d'où le nom de corps noir) et que de ce fait il se trouve en équilibre avec elle. Le caractère de corps noir du rayonnement cosmologique montre que les conditions nécessaires à la réalisation de cet équilibre (appelé équilibre thermodynamique) régnaient dans la mixture cosmique d'où provient ce rayonnement, à la manière décrite plus haut. Dans un état d'équilibre thermodynamique, le rayonnement est entièrement défini par un seul paramètre, à savoir sa température (qui se trouve alors justement la même que celle de la matière), ici de 2,7 degrés.

Le deuxième trait exceptionnel du rayonnement cosmologique est son haut degré d'isotropie. Cela est incompréhensible dans le cadre de nos théories actuelles. En effet dans les modèles homogènes satisfaisant aux équations d'Einstein (modèles de Friedmann-Robertson-Walker) il se trouve que l'expansion est tellement rapide à l'origine que les différents points composant l'Univers n'ont pas eu le temps d'établir un lien causal entre eux, la lumière ne parvenant pas à rattraper l'expansion. Autrement dit, les différents points se comportent de façon indépendante et dans ces conditions on ne comprend pas comment a pu se réaliser l'isotropie constatée. Je pense personnellement qu'en tentant d'analyser l'origine de l'Univers nous touchons aux limites de validité de nos théories actuelles, lesquelles sont, sans surprise, insuffisantes sur certains points - comme est insuffisante n'importe quelle théorie au-delà de son domaine possible d'application. Pour avancer, il faut d'autres théories, que nous ne possédons pas.

Le rayonnement fossile occupe de ce point de vue une situation centrale en cosmologie : il est à la fois la confirmation éclatante et l'infirmation définitive de notre théorie. Nul doute que notre monde soit né de façon singulière et qu'il est en expansion, comme le prévoit le modèle du big bang, mais la description de la singularité originelle est impossible (à mon sens) sans un renouvellement théorique complet de nos idées.



Version revue, corrigée et enrichie
du livre de Christian Magnan
La nature sans foi ni loi,
Éditions Belfond/Sciences (1988)
Dernière modification : 13 avril 2005


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