L’homogénéité
de l’Univers
L’un des grands
problèmes de la cosmologie que le scénario de l’inflation a
permis de résoudre est celui de l’homogénéité de l’Univers.
L’isotropie du
rayonnement fossile
L’un des
arguments en faveur de la théorie du Big Bang est l’existence d’un rayonnement
électromagnétique qualifié de fossile qui remplit l’Univers et est
détectable dans toutes les directions du ciel. Ce rayonnement correspond avec
une très grande précision à celui d’un corps noir ayant une température de 2,7
degrés au dessus du zéro absolu et son intensité maximale se trouve dans le
domaine des micro-ondes.
Le rayonnement
fossile fut découvert par hasard en 1964. Dans les années
1980, des observations commencèrent à montrer que le rayonnement semblait
isotrope, c’est-à-dire que son intensité était très similaire dans toutes les
directions du ciel, avec la précision des instruments de l’époque.
Bien sûr,
l’isotropie n’apparaissait que lorsque l’on corrigeait les mesures pour prendre
en compte des effets tels que la rotation de la Terre ou les émissions
micro-ondes de la Voie Lactée.
En 1989 fut lancé
le satellite COBE qui avait pour mission d’étudier le rayonnement fossile avec
grande précision, en particulier les variations de son intensité avec la
direction dans le ciel. COBE confirma que la température du rayonnement était
presque la même dans toutes les directions du ciel, avec une variation relative
inférieure au cent-millième. Ce résultat fut confirmé par les observations
encore plus précises du satellite WMAP lancé en 2001.
L’homogénéité de
l’Univers
Cette observation
était particulièrement intéressante car le rayonnement provenant de deux
régions différentes du ciel ne peut être identique que si ces régions ont été
liées à une certaine époque. Si deux zones du ciel avaient toujours été
indépendantes, leurs températures n’auraient aucune raison d’être les mêmes. Il
y a donc eu à un moment donné un échange d’information entre les deux et,
d’après la relativité restreinte, cet échange s’est
fait au mieux à la vitesse de la lumière.
C’est ce constat
qui pose un problème. Les photons provenant de deux régions opposées du ciel
ont à peine réussi à atteindre notre petit coin d’Univers. Ils n’ont fait que
la moitié du chemin nécessaire à un transfert d’information. Il est donc
difficile de trouver deux zones aussi causalement indépendantes. Comment
expliquer alors ces régions aient émis une rayonnement identique ? De manière
plus générale, comment le rayonnement fossile peut-il être aussi isotrope,
pratiquement identique dans toutes les directions ?
L’explication par
l’inflation
Cette question
laissa perplexe la communauté astronomique jusqu’à ce que le scénario de
l’inflation vint apporter une explication très simple.
En effet, avant
l’ère
inflationnaire, la taille de l’Univers était à peu près 1050 (1 suivi
de 50 zéros) fois plus petite que maintenant. La portion de l’Univers que nous
pouvons observer de nos jours n’occupait alors qu’une région minuscule,
infiniment plus petite qu’un noyau atomique. La lumière, donc l’information,
n’avait aucun problème pour traverser cette région microscopique, même si elle
n’avait que 10-35 seconde à sa disposition avant que l’inflation ne se
mette en route.
En conséquence,
toutes les régions de l’Univers observable aujourd’hui étaient causalement
liées avant le début de l’inflation et l’information sur la température pouvait
facilement être échangée. Par la suite, la taille de l’Univers fut démultipliée
et conduit à un rayonnement homogène dans des régions qui nous semblent à
première vue indépendantes aujourd’hui.
Le deuxième grand
problème cosmologique que l’inflation a permis de résoudre est celui de la platitude de l’Univers.
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