La surveillance du rayonnement cosmique est la pierre angulaire de la recherche en cosmologie moderne. La surveillance du rayonnement de fond cosmique ne consiste pas à observer directement des galaxies lointaines, mais à mesurer avec précision le rayonnement micro-ondes qui imprègne l'univers entier. Cette œuvre, c'est comme écouter la « première lumière » émise par l'univers 380 000 ans après le Big Bang. Grâce à ses faibles fluctuations de température et de polarisation, il code des informations cruciales sur l’âge de l’univers, sa composition et son histoire évolutive. C’est précisément à l’aide d’une détection précise de ce rayonnement « fossile » que l’on peut construire un modèle cosmologique standard.
Pourquoi le rayonnement cosmique est-il une preuve importante du Big Bang ?
Au XXe siècle, une découverte scientifique très importante a été découverte : le rayonnement de fond cosmique. Il ne provient pas d’un corps céleste spécifique, mais remplit uniformément et partout tout l’univers observable. Sa température est d'environ 2,725 Kelvin, légèrement au-dessus du zéro absolu. Cette caractéristique du rayonnement à basse température qui existe partout est tout à fait cohérente avec la théorie du Big Bang qui prédit que l'univers primitif, chaud et dense, était constitué de « braises » laissées après l'expansion et le refroidissement.
En supposant que l’univers ait commencé dans un état dense et chaud, à mesure que l’espace s’étend, la longueur d’onde de ses photons s’allongera, son énergie diminuera et il finira par se refroidir jusqu’à la bande des micro-ondes observée aujourd’hui. La forme du spectre de rayonnement du corps noir du rayonnement de fond cosmique a été vérifiée avec une extrême précision. Il est difficile pour une autre théorie d’expliquer ce spectre de Planck presque parfait. Par conséquent, il est reconnu par tous comme la preuve observationnelle décisive soutenant la théorie du Big Bang et la seule fenêtre directe sur les premiers stades de l’univers.
Comment mesurer avec précision la température du rayonnement de fond cosmique
Mesurer avec précision la température du rayonnement de fond cosmique est une tâche qui comporte des exigences techniques et environnementales extrêmement exigeantes. Concernant les équipements de mesure, il s'agit principalement de radiomètres ou interféromètres à haute sensibilité qui fonctionnent dans les bandes d'ondes millimétriques et submillimétriques. Ces équipements sont installés sur des plateaux à l'atmosphère fine et sèche, loin des villes, ou montés sur des ballons ou des satellites à haute altitude pour éviter au maximum les interférences causées par la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère terrestre. Le cœur du détecteur est un élément supraconducteur, capable de convertir de faibles signaux micro-ondes en signaux électriques et qui doit être refroidi jusqu'à un niveau proche du zéro absolu afin de réduire son propre bruit.
L'étalonnage absolu est la clé de la mesure. Habituellement, les scientifiques sélectionnent un corps noir avec une température connue et une émissivité presque parfaite comme source d’étalonnage à comparer avec le signal provenant du ciel. Par exemple, le satellite Planck transporte un corps noir d’étalonnage précis et contrôlable en température. Après des observations à long terme et par balayage multifréquence, l'influence du rayonnement de premier plan de la Voie lactée et de l'instrument lui-même est finement soustraite. Enfin, la température originale du rayonnement de fond cosmique et ses fluctuations subtiles à quelques parties par million peuvent être extraites.
Que révèle l’anisotropie du rayonnement de fond cosmique ?
Le rayonnement de fond cosmique présente une fluctuation de température aussi petite qu'un cent millième dans le fond uniforme global, ce qui est une anisotropie. Ces « ondulations » ne sont certainement pas ce genre de bruit, mais contiennent des codes primitifs sur la répartition de la densité de la matière dans l'univers primitif. Les zones à haute température correspondent à des zones de densité légèrement plus élevée, où il reste davantage de matière ; les zones à basse température correspondent à des zones de densité légèrement inférieure. Ces minuscules fluctuations de densité ont évolué sur des dizaines de milliards d’années sous l’influence de la gravité, créant finalement les structures à grande échelle que nous voyons aujourd’hui, telles que les galaxies et les amas de galaxies.
En analysant les propriétés statistiques de ces fluctuations de température, notamment leurs spectres de puissance, nous pouvons déterminer avec précision un ensemble de paramètres cosmologiques fondamentaux. Par exemple, la taille de l’échelle angulaire des fluctuations de température est directement liée au fait que la géométrie spatiale de l’univers soit plate, ouverte ou fermée. Les données obtenues par observation soutiennent fortement le fait que l’univers est plat. En outre, l’amplitude et la répartition des fluctuations limitent également des informations clés telles que la quantité totale de matière dans l’univers et le rapport entre la matière ordinaire et la matière noire.
Quelle est l’importance de la mesure de la polarisation du rayonnement de fond cosmique ?
En plus de disposer d'informations liées à la température, le rayonnement de fond cosmique présente également de faibles caractéristiques de polarisation, ce qui constitue un domaine de recherche plus avancé. Parmi eux, la polarisation est principalement divisée en deux types tels que le mode E et le mode B. La polarisation en mode E est basée sur la perturbation de densité sur la dernière surface de diffusion de l'univers. Cela confirme en outre les résultats liés aux fluctuations de température et fournit des indices indépendants pour l’étude de l’histoire de la réionisation de l’univers. Des mesures précises de la polarisation en mode E nous aident à déterminer quand la première génération d'étoiles a illuminé l'univers.
La polarisation en mode B est encore plus révolutionnaire, elle peut être générée par deux mécanismes. L’un est généré par l’effet de lentille gravitationnelle qui déforme le signal en mode E au cours de l’évolution ultérieure de l’univers. Il a été observé expérimentalement et est devenu un nouvel outil pour détecter la structure de répartition de la matière noire dans l'univers ! Un autre signal en mode B, de nature plus primitive, pourrait provenir des ondes gravitationnelles générées au tout début de l’inflation de l’univers. Il s'agira d'un signal de niveau « Saint Graal » qui vérifiera la théorie de l'inflation et explorera les lois du fonctionnement physique à l'origine de l'univers. Actuellement, plusieurs équipes expérimentales à travers le monde s’y emploient sans relâche.
Quelles sont les principales expériences satellitaires qui surveillent le rayonnement de fond cosmique ?
Depuis la fin du siècle dernier, une série d’expériences sur des satellites spatiaux ont poussé la précision de la surveillance du rayonnement cosmique à un niveau jamais vu auparavant. Le satellite COBE a mesuré pour la première fois avec précision le spectre du corps noir du rayonnement de fond et a également découvert son anisotropie de température. C'est pour cette raison qu'il a remporté le prix Nobel de physique. Plus tard, le satellite WMAP a cartographié les fluctuations de température dans le ciel avec une précision sans précédent, établissant ainsi une ère de cosmologie précise et réduisant les erreurs dans de nombreux paramètres cosmologiques à des pourcentages à un chiffre.
Le satellite Planck lancé par l'ESA est à ce jour le détecteur de rayonnement de fond le plus avancé. Il est équipé d'instruments qui fonctionnent à des fréquences plus élevées et à des bandes plus larges, atteignant des résolutions et une sensibilité plusieurs fois supérieures à celles du WMAP. Les données de Planck ont amélioré la précision des paramètres cosmologiques à un niveau inférieur à un pourcentage, par exemple, l'âge de l'univers est déterminé à 13,8 milliards d'années, le rapport entre la matière ordinaire, la matière noire et l'énergie noire est défini avec précision et la mesure la plus précise du taux d'expansion de l'univers (constante de Hubble) est donnée, déclenchant une profonde tension avec les mesures directes de l'univers tardif.
Comment la technologie de surveillance du rayonnement de fond cosmique évoluera-t-elle à l’avenir ?
À l’avenir, la technologie de surveillance évoluera vers une sensibilité plus élevée, une couverture spectrale plus large et une mesure plus systématique de la polarisation en mode B. Les stations d'observation au sol utiliseront des réseaux de détecteurs plus grands. Par exemple, des centaines de milliers de détecteurs supraconducteurs fonctionneront simultanément pour réduire le bruit à l’extrême. Ces expériences se poursuivront en Antarctique et sur les meilleurs sites tels que le désert d'Atacama au Chili, utilisant des milliers d'heures d'intégration pour rechercher de faibles signaux originaux en mode B.
Le concept de mission spatiale utilise une technologie de réfrigération, qui nécessite des températures plus basses, refroidissant le détecteur à moins de 0,1 Kelvin, et peut utiliser des solutions d'interférométrie innovantes. Les futurs satellites pourraient être optimisés pour des bandes de fréquences spécifiques, dans le but d’éliminer plus efficacement la contamination du rayonnement galactique de premier plan. De plus, la cosmologie multi-messagers deviendra courante. Il combine la surveillance du rayonnement de fond cosmique avec d’autres sondes telles que l’observation de la raie d’hydrogène de 21 centimètres et la détection des ondes gravitationnelles, ce qui peut nous fournir une image plus complète et plus cohérente de l’évolution de l’univers.
Sur la base des mesures précises actuelles du rayonnement de fond cosmique, votre conclusion selon laquelle l’univers est plat provient-elle davantage de preuves observationnelles solides, ou s’agit-il d’une hypothèse nécessaire à l’élaboration de modèles théoriques ? Vous êtes invités à partager vos opinions personnelles dans la zone de commentaires. Si cet article vous a inspiré, n'hésitez pas également à liker pour le soutenir.
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