Qu’est-ce que le fond diffus cosmologique ? › Actualités Geek

Le fond diffus cosmologique (CMB) est le rayonnement résiduel du Big Bang ou du moment où l’univers a commencé. Selon la théorie, lorsque l’univers est né, il a subi une inflation, une expansion et un refroidissement rapides. (L’univers est toujours en expansion aujourd’hui, et le taux d’expansion semble différent selon l’endroit où vous regardez.) Le CMB représente la chaleur laissée par le Big Bang.

Vous ne pouvez pas voir le CMB à l’œil nu, mais il est partout dans l’univers. Il est invisible pour les humains car il fait si froid, seulement 2 725 degrés au-dessus du zéro absolu (moins 459,67 degrés Fahrenheit ou moins 273,15 degrés Celsius). Cela signifie que son rayonnement est le plus visible dans la partie micro-ondes du spectre électromagnétique.

Selon la NASA, CMB remplit l’univers et à l’époque précédant la télévision par câble, chaque foyer équipé d’un téléviseur pouvait voir la rémanence du Big Bang. En basculant le téléviseur sur un canal « intermédiaire », vous pourriez voir le CMB comme un signal statique sur l’écran.

Connexes: Certains trous noirs supermassifs peuvent contenir des empreintes digitales du Big Bang

Comment s’est formé le fond diffus cosmologique ?

L’univers a commencé il y a 13,8 milliards d’années et le CMB remonte à environ 400 000 ans après le Big Bang. C’est parce qu’aux premiers stades de l’univers, alors qu’il ne faisait qu’un cent millionième de sa taille actuelle, sa température était extrême : 273 millions de degrés au-dessus du zéro absolu, selon la NASA.

Tout atome présent à ce moment-là était rapidement décomposé en petites particules (protons et électrons). Le rayonnement CMB dans les photons (particules représentant des quanta de lumière ou d’autres rayonnements) a été diffusé par les électrons. « Les photons ont donc erré dans l’univers primitif, un peu comme la lumière optique erre dans un brouillard dense », a écrit la NASA.

Environ 380 000 ans après le Big Bang, l’univers était suffisamment froid pour que de l’hydrogène se forme. Parce que les photons du CMB sont à peine affectés par l’impact de l’hydrogène, les photons se déplacent en ligne droite. Les cosmologistes parlent d’une « surface de dernière diffusion » lorsque les photons CMB frappent la matière pour la dernière fois ; après cela, l’univers était trop grand. Ainsi, lorsque nous cartographions le CMB, nous regardons en arrière jusqu’à 380 000 ans après le Big Bang, juste après que l’univers soit devenu opaque aux radiations.

Robert Wilson a découvert le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes (CMB) en 1964 avec Arno Penzias, mettant la théorie du Big Bang sur une base solide. Wilson et Penzias ont remporté le prix Nobel de physique en 1978 pour cette découverte. (Ils ont partagé le prix avec le scientifique soviétique Piotr Kapitsa). (Crédit image : Clive Grainger (CfA))

Qui a découvert le fond cosmique des micro-ondes ?

Le cosmologiste américain Ralph Apher a prédit pour la première fois le CMB en 1948, alors qu’il travaillait avec Robert Herman et George Gamow, selon la NASA. L’équipe menait des recherches liées à la nucléosynthèse du Big Bang, ou à la production d’éléments dans l’univers autres que l’isotope (type) le plus léger de l’hydrogène. Ce type d’hydrogène a été créé très tôt dans l’histoire de l’univers.

Mais le WBC a d’abord été trouvé par accident. En 1965, deux chercheurs des Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias et Robert Wilson) créaient un récepteur radio et étaient intrigués par le bruit qu’il captait. Ils se sont vite rendu compte que le bruit venait uniformément de partout dans le ciel. Au même moment, une équipe de l’Université de Princeton (dirigée par Robert Dicke) tentait de retrouver le WBC. L’équipe de Dicke a appris l’expérience de Bell et s’est rendu compte que le CMB avait été trouvé.

Les deux équipes ont rapidement publié des articles dans l’Astrophysical Journal en 1965, Penzias et Wilson parlant de ce qu’ils ont vu, et l’équipe de Dicke expliquant ce que cela signifie dans le contexte de l’univers. (Penzias et Wilson ont ensuite reçu le prix Nobel de physique en 1978.)

Que nous dit le fond diffus cosmologique ?

Une image du rayonnement de fond diffus cosmologique, prise par le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA) en 2013, montre les petites variations dans le ciel. (Crédit image : ESA et Planck Collaboration)

Le CMB est utile aux scientifiques car il nous aide à comprendre comment l’univers primitif s’est formé. Il est à une température uniforme avec seulement de petites fluctuations visibles avec des télescopes précis. « En étudiant ces fluctuations, les cosmologistes peuvent en apprendre davantage sur l’origine des galaxies et les structures à grande échelle des galaxies et peuvent mesurer les paramètres de base de la théorie du Big Bang », a écrit la NASA.

Alors que certaines parties du CMB ont été cartographiées dans les décennies qui ont suivi sa découverte, la première carte spatiale du ciel complet provient de la mission Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA, qui a été lancée en 1989 et a cessé ses opérations scientifiques en 1993. Cette « image de bébé » de l’univers, comme l’appelle la NASA, a confirmé les prédictions de la théorie du Big Bang et a également montré des indices de structure cosmique qui n’avaient jamais été vus auparavant. En 2006, le prix Nobel de physique a été décerné aux scientifiques du COBE John Mather du Goddard Space Flight Center de la NASA et à George Smoot de l’Université de Californie à Berkeley.

Une carte plus détaillée est apparue en 2003 grâce à la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), qui a été lancée en juin 2001 et a cessé de collecter des données scientifiques en 2010. La première image fixait l’âge de l’univers à 13,7 milliards d’années (une mesure qui a été affinée à 13,8 milliards d’années). ans) et a également révélé une surprise : les étoiles les plus anciennes ont commencé à briller environ 200 millions d’années après le Big Bang, bien plus tôt que prévu.

Le rayonnement de fond diffus cosmologique (CMB) nous indique l’âge et la composition de l’univers et soulève de nouvelles questions auxquelles il faut répondre. Voyez comment fonctionne le fond diffus cosmologique et comment il peut être détecté ici. (Crédit image : Karl Tate, infographiste SPACE.com)

Les scientifiques ont suivi ces résultats en étudiant les premiers stades de l’inflation de l’univers (en quelques billionièmes de seconde après la formation) et en fournissant des paramètres plus précis sur la densité atomique, l’encombrement de l’univers et d’autres propriétés de l’univers peu après sa formation. Ils ont également vu une étrange asymétrie dans les températures moyennes dans les deux hémisphères du ciel et un « point froid » plus grand que prévu. L’équipe WMAP a reçu le Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2018 pour ses travaux.

En 2013, les données du télescope spatial Planck de l’Agence spatiale européenne ont été publiées, montrant l’image la plus précise du CMB à ce jour. Les scientifiques ont découvert un autre mystère avec cette information : les fluctuations du CMB à de grandes échelles angulaires ne correspondaient pas aux prévisions. Planck a également confirmé ce que WMAP a vu en termes d’asymétrie et de point froid. La publication finale des données de Planck en 2018 (la mission a fonctionné de 2009 à 2013) a montré une preuve supplémentaire que la matière noire et l’énergie noire, des forces mystérieuses probablement à l’origine de l’accélération de l’univers, semblent exister.

D’autres efforts de recherche ont tenté d’examiner différents aspects du CMB. L’une consiste à déterminer les types de polarisation appelés modes E (découverts par l’interféromètre à échelle angulaire de degré basé en Antarctique en 2002) et modes B. Les modes B peuvent être produits à partir de la lentille gravitationnelle en mode E (cette lentille a été vue pour la première fois par le télescope du pôle Sud en 2013) et des ondes gravitationnelles (qui ont été observées pour la première fois en 2016 à l’aide de l’observatoire à ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser avancé, ou LIGO). En 2014, l’instrument BICEP2 basé en Antarctique aurait trouvé des modes B d’ondes gravitationnelles, mais d’autres observations (y compris les travaux de Planck) ont montré que ces résultats étaient dus à la poussière cosmique.

À la mi-2018, les scientifiques sont toujours à la recherche du signal qui a montré une brève période d’expansion rapide de l’univers peu après le Big Bang. A cette époque, l’univers grossissait à un rythme plus rapide que la vitesse de la lumière. Si cela devait arriver, les chercheurs soupçonnent que cela devrait être visible dans le CMB à travers une certaine forme de polarisation. Une étude cette année-là a suggéré que la brillance des nanodiamants crée une lumière faible mais perceptible qui interfère avec les observations cosmiques. Maintenant que cette luminosité est prise en compte, des recherches futures pourraient la supprimer pour mieux rechercher la faible polarisation dans le CMB, ont déclaré les auteurs de l’étude à l’époque.

lecture complémentaire

Si vous voulez en savoir plus sur le fond cosmique des micro-ondes et le Big Bang, consultez ce cours gratuit avec l’Open University. Vous pouvez explorer plus en détail l’étrange «point froid» dans le fond cosmique des micro-ondes avec cet article de Physics World et le site Web UK Planck vous permet d’explorer les cartes du ciel créées par le télescope spatial Planck.

Bibliographie