La
recombinaison et le rayonnement fossile
La prochaine
grande étape de l’évolution de l’Univers se produit lorsque celui-ci est âgé de
380.000 ans et que sa température est tombée à 3000 degrés.
La recombinaison
Avant cette
époque, protons et électrons sont libres et les atomes ne peuvent pas exister.
Si par hasard un proton et un électron se rencontrent et s’associent pour
former un atome, leur liaison est immédiatement détruite par un photon. Pour
cette même raison, les photons, qui sont rapidement absorbés par ces atomes
éphémères, ont une durée de vie très courte. Ils n’ont donc guère le temps de
se déplacer, ce que l’on exprime en disant que l’Univers leur est opaque.
Le changement
arrive lorsque la température de l’Univers atteint les 3000 degrés. L’énergie
moyenne des photons passe alors sous le seuil de la liaison électron-proton. Le
rayonnement perd ainsi sa capacité à dissocier les couples qui se forment. Les
rencontres au hasard entre noyaux et électrons vont dorénavant donner naissance
à des composés stables : les premiers atomes d’hydrogène ou d’hélium. Cette
époque est connue sous le nom de recombinaison puisque noyaux et électrons se
combinent ensemble.
Le rayonnement
fossile
En même temps,
les photons sont maintenant trop peu énergétiques pour être absorbés par les
atomes. La lumière n’a plus d’obstacle et les photons peuvent désormais se
propager sans entrave. L’Univers devient transparent pour la lumière et l’on
dit que le rayonnement se découple de la matière.
Ce découplage a
laissé une trace qui est encore observable de nos jours. En effet, comme il ne
peut être absorbé, ce rayonnement qualifié de fossile emplit toujours encore
l’Univers. Cependant sa température a été divisée par un facteur 1000
car la taille de l’Univers a été multipliée par ce même facteur depuis
l’époque de la recombinaison. Comme la température était d’environ 3000 degrés
à l’époque, l’Univers actuel doit être baigné d’un rayonnement à environ trois
degrés du zéro absolu (2.725 pour être précis). D’après la loi de
Wien, son maximum se trouve par conséquent à une longueur d’onde de l’ordre
du millimètre dans le domaine des micro-ondes.
L’antenne des
laboratoires Bell à Holmdel où Arno Penzias et Robert Wilson découvrirent le
rayonnement fossile en 1965. Crédit : Bell
Labs
La découverte
du rayonnement fossile
La confirmation
de l’existence de ce rayonnement fossile vint dans les années 1960. Deux
astrophysiciens américains, Robert Dicke et James Peebles s’attaquèrent au
problème de la naissance de l’Univers et prédirent que l’Univers devait être
baigné par un rayonnement fossile dont le maximum d’intensité se trouvait dans
le domaine des micro-ondes. Pour confirmer cette prédiction, Dicke et ses
collaborateurs se lancèrent dans la construction d’une antenne destinée à
détecter le rayonnement fossile.
Ils furent
cependant devancés par accident par deux ingénieurs américains, Arno Penzias et
Robert Wilson. Ces derniers avaient conçu une antenne micro-ondes destinée à
recevoir les signaux de Telstar, le premier satellite de communication. Lors de
leurs premiers essais, en mai 1965, ils se rendirent compte qu’ils captaient un
signal imprévu qui présentait la particularité d’être identique dans toutes les
directions du ciel. Pensant qu’il s’agissait d’un simple bruit dû aux circuits
électroniques ou à l’antenne, ils vérifièrent tout l’appareillage et
nettoyèrent même les déjections d’oiseaux, mais sans succès.
L’explication
leur vint finalement lorsqu’ils entendirent parler des travaux de Dicke et de
Peebles : leur antenne ne captait pas un bruit parasite mais le rayonnement
fossile à trois degrés du zéro absolu. Cette découverte constituait un succès
éclatant pour la théorie du Big Bang et valut à Penzias et Wilson le prix Nobel
de physique. Elle fut rapidement confirmée par l’antenne de Dicke, fin 1965,
puis par toute une série d’instruments, depuis des antennes terrestres jusqu’à
des capteurs installés dans des ballons ou des fusées.
Les satellites
COBE et WMAP
Finalement, en
1989, fut lancé le satellite COBE qui avait pour mission d’étudier le
rayonnement fossile avec une résolution inégalée. Cet instrument spatial
fournit un spectre qui correspondait avec une incroyable précision à celui d’un
corps noir avec une température de 2.725 degrés au-dessus du zéro absolu.
Après cette observation, l’origine du rayonnement fossile ne faisait plus de
doute. Cette lumière micro-onde constituait bien une preuve que l’Univers était
passé par une phase extrêmement dense et chaude. Des observations similaires
mais encore plus précises furent ensuite effectuées par le satellite WMAP lancé en
2001.
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