Découverte du fond cosmique

À partir de 1948, le cosmologiste américain George Gamow et ses collègues, Ralph Alpher et Robert Herman, ont étudié l’idée que les éléments chimiques pourraient avoir été synthétisés par des réactions thermonucléaires qui ont eu lieu dans une boule de feu primitive. Selon leurs calculs, la température élevée associée à l’univers primitif aurait donné naissance à un champ de rayonnement thermique, qui a une distribution unique d’intensité avec la longueur d’onde (connue sous le nom de loi de rayonnement de Planck), qui n’est fonction que de la température. Au fur et à mesure de l’expansion de l’univers, la température aurait chuté, chaque photon étant décalé vers le rouge par l’expansion cosmologique à une longueur d’onde plus longue, comme l’avait déjà montré le physicien américain Richard C. Tolman en 1934. À l’époque actuelle, la température du rayonnement serait tombée à très basse valeurs, environ 5 kelvins au-dessus du zéro absolu (0 kelvin, ou −273 ° C) selon les estimations d’Alpher et Herman.

L’intérêt pour ces calculs a diminué chez la plupart des astronomes lorsqu’il est devenu évident que la part du lion de la synthèse d’éléments plus lourds que l’hélium doit avoir eu lieu à l’intérieur des étoiles plutôt que dans un big bang chaud. Au début des années 1960, des physiciens de l’Université de Princeton, dans le New Jersey, ainsi qu’en Union soviétique, ont repris le problème et ont commencé à construire un récepteur micro-ondes capable de détecter, selon les termes du clerc et cosmologiste belge Georges Lemaître, « le a disparu de l’éclat de l’origine des mondes. »

La découverte réelle du rayonnement relique de la boule de feu primitive s’est toutefois produite par accident. Arno Penzias et Robert Wilson, des Bell Telephone Laboratories, Holmdel, New Jersey, ont mesuré l’excès de bruit radio qui semblait provenir du ciel de manière complètement isotrope (c’est-à-dire que le bruit radio était le même dans toutes les directions). consulté Bernard Burke du Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, à propos du problème, Burke s’est rendu compte que Penzias et Wilson avaient très probablement trouvé le rayonnement de fond cosmique que Robert H. Dicke, PJE Pe ebles et leurs collègues de Princeton prévoyaient de rechercher. Mis en relation les uns avec les autres, les deux groupes ont publié simultanément dans 1965 des articles détaillant la prédiction et la découverte d’un champ de rayonnement thermique universel avec une température d’environ 3 K.

Des mesures précises effectuées par le satellite Cosmic Background Explorer (COBE) lancé en 1989 ont déterminé que le spectre était exactement caractéristique d’un corps noir à 2,735 K. La vitesse du satellite par rapport à la Terre, La Terre à propos du Soleil, le Soleil à propos de la Galaxie et la Galaxie à travers l’univers rendent en fait la température légèrement plus chaude (d’environ une partie sur 1000) dans la direction du mouvement plutôt que de s’en éloigner. L’ampleur de cet effet – la soi-disant anisotropie dipolaire – permet aux astronomes de déterminer que le groupe local (le groupe de galaxies contenant la Voie lactée) se déplace à une vitesse d’environ 600 km par seconde (km / s; 400 miles par seconde) dans une direction à 45 ° de la direction de l’amas de galaxies de la Vierge. Un tel mouvement n’est pas mesuré par rapport aux galaxies elles-mêmes (les galaxies de la Vierge ont une vitesse moyenne de récession d’environ 1000 km / s par rapport au système de la Voie lactée) mais par rapport à un cadre de référence local dans lequel le rayonnement de fond cosmique apparaissent comme un spectre de Planck parfait avec une seule température de rayonnement.

Le satellite COBE embarquait des instruments qui lui permettaient de mesurer de petites fluctuations d’intensité du rayonnement de fond qui serait le début de la structure (c.-à-d. les galaxies et amas de galaxies) dans l’univers. Le satellite a transmis un diagramme d’intensité en projection angulaire à une longueur d’onde de 0,57 cm après la soustraction d’un fond uniforme à une température de 2,735 K. Les régions claires en haut à droite et les régions sombres en bas à gauche ont montré une asymétrie dipolaire. Une bande brillante au milieu représentait une émission thermique excessive de la Voie lactée. Pour obtenir les fluctuations sur des échelles angulaires plus petites, il était nécessaire de soustraire à la fois le dipôle et les contributions galactiques. Une image a été obtenue montrant le produit final après la soustraction. Les taches de lumière et d’obscurité représentaient des fluctuations de température qui s’élèvent à environ une partie sur 100 000 – pas beaucoup plus que la précision des mesures.Néanmoins, les statistiques de la distribution des fluctuations angulaires semblaient différentes du bruit aléatoire, et les membres de l’équipe d’investigation du COBE ont donc trouvé la première preuve du départ de l’isotropie exacte que les cosmologistes théoriques avaient longtemps prédit qu’il devait y avoir pour que les galaxies et les amas de galaxies à se condenser à partir d’un univers autrement sans structure. Ces fluctuations correspondent à des échelles de distance de l’ordre de 109 années-lumière (encore plus grandes que les plus grandes structures matérielles vues dans l’univers, comme l’énorme regroupement de galaxies surnommé la «Grande Muraille»).

Le Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a été lancé en 2001 pour observer les fluctuations observées par COBE plus en détail et avec plus de sensibilité. Les ditions au début de l’univers ont laissé leur empreinte sur l’ampleur des fluctuations. Les mesures précises de WMAP ont montré que l’univers primitif était composé de 63% de matière noire, 15% de photons, 12% d’atomes et 10% de neutrinos. Aujourd’hui, l’univers contient 72,6% d’énergie noire, 22,8% de matière noire et 4,6% d’atomes. Bien que les neutrinos soient maintenant une composante négligeable de l’univers, ils forment leur propre fond cosmique, qui a été découvert par WMAP. WMAP a également montré que les premières étoiles de l’univers se sont formées un demi-milliard d’années après le big bang.