04/08/2010

L'Expansion de l'Univers : 3. Le rayonnement fossile

Vers la première partie

Vers la seconde partie

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Peu après le Big Bang, l'Univers était encore extrêmement dense. La totalité de la matière de l'Univers actuel était réunie en un petit espace, sous forme de plasma, c'est-à-dire de noyaux atomiques et d'électrons séparés. En effet, à de très fortes températures, les noyaux atomiques ne parviennent pas à conserver leur nuage d'électrons dont l'agitation est trop rapide et ces derniers sont libres. La matière ne laissait pas encore passer les ondes électromagnétiques et l'Univers était opaque. Puis, au bout de 380.000 ans environ, la température a suffisamment baissé pour que les atomes se forment. C'est alors que les premiers photons ont été libérés, l'univers étant pour la première fois perméable aux ondes électromagnétiques.

Aussi étonnant que ça puisse paraître, cette explosion de photons peut encore aujourd'hui être observée. La découverte de ce rayonnement cosmologique a d'ailleurs porté un coup de grâce aux théories alternatives à celle de l'expansion. Car aucune autre explication ne pouvait être donnée à ce rayonnement presque homogène, nous parvenant de toutes les directions à la fois. Surtout qu'il avait été précédemment calculé théoriquement et que ce qui a été mesuré correspond assez précisément aux attentes.

En effet, il avait été prédit dans les années 40 déjà, mais c'est seulement en 1964 qu'il a été découvert de manière fortuite par deux chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis, Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson. Ces derniers ont reçu le prix Nobel de physique en 1978 pour cette découverte.


Rayonnement à 3K

Tout corps rayonnant produit des ondes lumineuses correspondant à sa température. Des corps très chauds comme les étoiles, comme le filament d'une ampoule ou comme la flamme d'une bougie vont produire une onde électromagnétique dans le domaine lumineux. Selon la température, la couleur de cette lumière changera. Elle ira du bleu pour les plus chaudes au rouge pour les moins chaudes. Lorsque ces corps sont un peu moins chauds, ils ne rayonnent plus dans les ondes visibles, mais plus que dans les infrarouges. Et justement, c'est cette gamme d'ondes électromagnétiques que nous percevons comme de la chaleur. Si l'objet est carrément froid, il ne rayonnera plus que dans les micro-ondes voire dans les ondes radio. Ou pas du tout s'il n'émet aucune chaleur.

Pour ce qui est du fond cosmologique diffus, l'expansion de l'Univers l'a énormément dilué. Aujourd'hui, il a une température très basse, mais tout de même supérieure à celle du vide spatial. Il est désigné par les spécialistes comme un rayonnement à 3K, c'est-à-dire 3 degrés Kelvin, 3 degrés au-dessus du zéro absolu. A cette température un corps rayonne dans les micro-ondes. C'est pourquoi il n'est pas perceptible à l'œil nu. Seul des antennes radio, telles que celles utilisées pour la communication avec les satellites, peuvent le déceler. Toutefois, il est très intense. Il produit beaucoup plus de photons que l'ensemble des étoiles de l'Univers dans le spectre visible !

Notre limite d'observation

La lumière parcourant une certaine distance chaque année (10 billions de kilomètres environ), l'année-lumière a été choisie comme l'une des unités standards de la cosmologie. Ainsi, comme il est estimé que le big bang a eu lieu il y a environ 15 milliards d'années, cela signifie que pour l'observer, on doit regarder à une quinzaine de milliards d'années-lumière. Non pas que le big bang ait eu lieu à cette distance de nous. En réalité il a eu lieu partout, y compris ici, sur Terre! Ce n'est en fait pas la matière qui s'est déplacée depuis, mais c'est l'espace entre les îlots de matière qui s'est étiré. Mais le problème, c'est qu'ici le rayonnement fossile a disparu depuis longtemps. Nous sommes donc obligés de regarder très loin dans l'espace pour voir très loin dans le passé.

Et au-delà de ce rayonnement fossile... il n'y a plus rien à voir. Non pas que l'Univers ne soit pas plus grand. Mais le fait est qu'il n'est pas possible d'observer des portions d'Univers qui ne se trouvent pas à la fois à une distance dans le temps et l'espace qui permette à la lumière d'arriver précisément jusqu'à nous au moment où nous les observons. Or, les parties de l'Univers situées au-delà du rayonnement cosmologique diffus ne sont pas observables, parce qu'avant l'émission de cette onde, l'Univers était opaque ! Il ne sera donc jamais possible d'observer ce qui s'est passé durant les tous premiers stades de formation de l'Univers. C'est pour ça que le rayonnement fossile est aussi qualifié de "fond" électromagnétique. Il est donc bien la limite ultime d'obsrvation.

Les irrégularités

Le rayonnement fossile est presque uniforme. Heureusement, il ne l'est que presque. C'est les petites irrégularités dans la répartition de la matière aux origines de l'Univers qui ont permis à des "grumeaux" de se former. Ainsi sans ces petites irrégularités, il n'y aurait pas d'étoiles, pas de galaxies. Probablement même que des "morceaux" de la singularité d'origine ont survécu au big bang. Ces trous noirs originels peuvent avoir contribué à la création des galaxies. Ils pourraient même être les embryons des super-trous noirs qui habitent le centre de la plupart des galaxies. (ou de toutes)

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Une preuve absolue du Big Bang

Depuis la découverte du rayonnement fossile, il n'y a plus lieu de douter de la réalité du Big Bang. Car rien d'autre que cette formidable explosion ne peut expliquer l'existence de ce rayonnement. Cette source radio correspond d'ailleurs avec une bonne précision avec ce qu'on s'attendait à découvrir. Cela ne signifie pas que tout soit dit sur la question. Loin de là. Pas plus que la découverte de la rotondité de la Terre n'a clos les recherches sur notre planète. Ca n'est d'ailleurs qu'un début et la quantité de choses qui restent à découvrir est phénoménale. Mais désormais, il n'est en tout cas plus question de chercher dans d'autres directions. L'ensemble de la communauté des astrophysiciens est d'accord là-dessus: l'Univers a un âge et cet âge est plus ou moins de 15 milliards d'années.

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