Qu’est-ce que le fond diffus cosmologique, et pourquoi est-il aussi important ?

L’humanité se questionne depuis des milliers d’années sur l’origine et l’évolution de l’Univers. Une réponse fondamentale fut trouvée dans les années 1960 avec la découverte du fond diffus cosmologique (CMB). De quoi s’agit-il précisément et quels secrets nous a-t-il révélés ?

Qu’est-ce que le fond diffus cosmologique ?

Le fond diffus cosmologique (CMB) est un rayonnement électromagnétique qui remplit l’Univers dans toutes les directions. Il s’agit d’un rayonnement thermique résiduel provenant d’une époque très précoce de l’Univers, soit environ 380 000 ans après le Big Bang, lorsque notre univers était presque un million de fois plus petit que sa taille actuelle.

Avant cette époque, l’Univers était si chaud et dense que les photons étaient continuellement absorbés et réémis par la matière. Par la suite, les électrons et les protons se sont combinés pour former des atomes neutres, un processus qui est connu sous le nom de recombinaison. À ce moment-là, les photons ont été libérés et ont commencé à se propager à travers l’Univers. Ainsi, ce rayonnement représente la « première lumière de l’univers ».

Si l’on compare cet instantané de l’Univers pris 380 000 ans après le Big bang avec son âge actuel de 13,77 milliards d’années, ce cliché représente l’équivalent d’une photo de vous bébé lorsque vous n’aviez que dix heures.

Comment a-t-il été découvert ?

Pour résumer, le fond diffus cosmologique fut découvert dans les années 1960 par les astronomes Arno Penzias et Robert Wilson. Ils travaillaient à l’époque aux Bell Laboratories, dans le New Jersey (États-Unis), dans le but de développer des antennes radio pour des applications de communication par satellite.

Un jour, alors qu’ils utilisaient l’une de ces antennes très sensibles, les deux chercheurs ont entendu un bruit constant. Ce signal de fond semblait provenir de toutes les directions du ciel, indépendamment de la direction vers laquelle pointait leur antenne.

Après avoir éliminé toutes les sources possibles de bruit, ils ont finalement réalisé que ce bruit persistant ne pouvait pas être expliqué de manière conventionnelle. Ils ont ensuite appris l’existence de la théorie du Big Bang et du rayonnement cosmologique qui en découle. Très vite, les deux chercheurs ont fait le rapprochement, réalisant que le bruit qu’ils captaient était en réalité le résidu thermique du rayonnement émis lors de l’Univers primordial qui remplit maintenant tout l’espace.

En quoi cette découverte a-t-elle été importante ?

La célèbre carte du fond diffus cosmologique capturée ensuite par la mission Planck et visible en en-tête de cet article, nous montre des variations de couleur qui correspondent aux différentes températures mesurées dans différentes régions du ciel.

Notez que ces fluctuations sont de très faible amplitude, de l’ordre de quelques microkelvins. Cependant, elles sont d’une importance cruciale pour notre compréhension de l’Univers. Elles sont en effet liées aux variations de densité dans l’Univers primordial survenues seulement quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang. Concrètement, les régions légèrement plus chaudes correspondent à des régions légèrement plus denses et inversement pour les régions légèrement plus froides.

Ces différences de température et de densité peuvent alors être considérées comme les « graines » ayant conduit à la formation des grandes structures cosmiques, telles que les amas de galaxies et les filaments de gaz et de poussière qui les relient. Elles sont le résultat des fluctuations quantiques de l’Univers primordial amplifiées par le processus d’inflation cosmique et évoluant ensuite sous l’influence de la gravité.

La découverte du fond diffus cosmologique aura permis de confirmer la prédiction théorique selon laquelle l’Univers s’est progressivement refroidi au fil du temps à partir d’un état dense et chaud. Elle aura également permis de confirmer et de mieux comprendre des concepts clés de la cosmologie, tels que l’inflation cosmique (période d’expansion accélérée de l’Univers dans les premiers instants) et la composition de l’Univers (matière baryonique, matière noire et énergie sombre).