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L’âge transparent de l’univers : quel est le secret de la période de recombinaison ?
Dans l'univers observable, le fond diffus cosmologique (CMB) est le rayonnement micro-onde omniprésent qui remplit tout l'espace observable. L'espace de fond entre les galaxies et les étoiles observé par les télescopes optiques ordinaires est presque complètement sombre, mais si nous utilisons un radiotélescope suffisamment sensible, nous pouvons détecter une faible lueur de fond qui n'est associée à aucune étoile, galaxie ou autre objet. Cette faible lumière est plus intense dans la région des micro-ondes du spectre électromagnétique.
En 1965, la découverte accidentelle des radioastronomes américains Arno Penzias et Robert Wilson fut d'une grande importance, marquant la fin du travail des scientifiques des années 1940. L’émergence du rayonnement de fond cosmologique micro-onde est devenue une preuve importante de la théorie du Big Bang. Dans le modèle du Big Bang de l’univers, l’univers primitif était rempli d’un plasma opaque, dense et chaud de particules subatomiques. À mesure que l’univers s’est étendu, ces plasmas se sont refroidis et les protons et les électrons ont fusionné pour former des atomes neutres, principalement de l’hydrogène. Ces atomes sont incapables de diffuser le rayonnement thermique via la diffusion Thomson, rendant l'univers transparent.
Combiné à cet événement de découplage de l'époque, les photons ont été libérés pour voyager librement dans l'espace. Cependant, à mesure que l’Univers s’étend, l’énergie de ces photons diminue en raison du décalage vers le rouge causé par l’expansion de l’Univers.
C'est ce qu'on appelle la « surface de dernière diffusion » et c'est la plage de distance correcte à laquelle les photons initialement émis lors du découplage peuvent être reçus. Bien que le CMB soit à peu près uniforme, il n’est pas complètement lisse et présente de légères anisotropies. Des expériences terrestres et spatiales telles que COBE, WMAP et Planck ont été utilisées pour mesurer ces inhomogénéités de température.
La structure anisotrope est déterminée par les diverses interactions entre la matière et les photons au point de découplage, formant un motif caractéristique de bosses et de bosses qui varie avec l'échelle angulaire.
La distribution anisotrope du CMB présente des composantes de fréquence de grille qui peuvent être représentées par un spectre de puissance montrant une série de pics et de vallées. Les pics de ce spectre contiennent des informations clés sur les propriétés physiques de l’univers primitif : le premier pic détermine la courbure globale de l’univers, tandis que les deuxième et troisième pics détaillent les densités de matière normale et de matière dite noire.
Il peut être difficile d’extraire des détails à partir des données CMB car le rayonnement est modifié par des caractéristiques de premier plan telles que les amas de galaxies.
Caractéristiques du rayonnement de fond diffus cosmologique
Le rayonnement de fond cosmologique est une émission uniforme d'énergie thermique du corps noir provenant de toutes les directions, avec une intensité mesurée en Kelvin (K). Le spectre du corps noir chaud du CMB est le plus clairement défini à une température de 2,72548 ± 0,00057 K. Les variations d'intensité sont exprimées en variations de température, et la température du corps noir peut décrire de manière unique l'intensité du rayonnement à toutes les longueurs d'onde. La température de brillance mesurée à n'importe quelle longueur d'onde peut être convertie en température du corps noir.
Le rayonnement du CMB est très uniforme dans le ciel, avec peu de structure comparée aux amas de matière dans les étoiles ou les galaxies. Son rayonnement est isotrope dans toutes les directions à environ 1 partie sur 25 000.
Bien que l'anisotropie du CMB soit extrêmement faible, de nombreux aspects de celui-ci peuvent être mesurés avec une grande précision, et ces mesures sont cruciales pour les théories cosmologiques. En plus de l’anisotropie de température, le CMB devrait présenter des variations angulaires de polarisation. La direction de polarisation dans chaque direction du ciel est décrite par la polarisation en mode E et en mode B. L'intensité du signal en mode E est 10 fois inférieure à l'anisotropie de température. Elle sert de complément aux données de température et est corrélée avec elles.
Le signal en mode B est plus faible mais peut contenir des données cosmologiques supplémentaires, et l'origine de l'anisotropie est également liée à la physique de la polarisation.
On s'attend également à ce que le CMB présente de minuscules distorsions spectrales dans le spectre qui s'écartent de la loi du corps noir. Il s’agit également de l’un des axes de recherche actifs actuels, et les chercheurs espèrent pouvoir les mesurer pour la première fois dans les prochaines décennies, car ils contiennent de riches informations sur l’univers primordial et la formation des structures ultérieures.
Selon Chuck dans le télescope V4 de Hubble, étant donné un rapport de taille de 400 à 1, le CMB contient la majorité des photons de l'Univers, avec une densité numérique un milliard de fois supérieure à celle de la matière dans l'Univers. Cela signifie que sans l’expansion de l’Univers pour refroidir le CMB, le ciel nocturne serait aussi brillant que le Soleil.
D'un point de vue historique
L’existence du fond diffus cosmologique a été prédite et explorée par les premiers chercheurs. En 1931, Georges Lemaître a émis l'hypothèse que les vestiges de l'univers primitif pouvaient être observés sous forme de rayonnement. En 1948, Ralph Alph et Robert Hermann ont également prédit l'existence du fond diffus cosmologique et estimé sa température à environ 5 Kelvin. Bien qu'il y ait eu un léger écart, les bases théoriques avaient été posées.
La première détection positive du fond diffus cosmologique a eu lieu en 1964, lorsque des scientifiques de l'Université de Princeton ont commencé à construire des instruments pour mesurer le fond diffus cosmologique. Puis, en 1964, Arno Penzias et Robert Wilson ont accidentellement découvert l'existence du fond diffus cosmologique aux Bell Labs.
En 1965, cette découverte a non seulement démontré l'existence du fond diffus cosmologique, mais est également devenue une avancée majeure dans le domaine de la cosmologie, confirmant le modèle du Big Bang.
Avec le développement de la technologie, des détecteurs tels que COBE, WMAP et Planck ont continué à mener des recherches approfondies sur le fond diffus cosmologique, fournissant des preuves solides et des orientations théoriques pour notre compréhension de la formation et de l'évolution de l'univers.
Aujourd'hui, les recherches sur le rayonnement cosmologique de fond se poursuivent et les scientifiques sont toujours enthousiastes à l'idée d'explorer des informations sur l'univers primitif. Alors, quels mystères non résolus le rayonnement cosmologique de fond cache-t-il selon vous ?
