Utilisateur:Alain r/Brouillons/Fond diffus cosmologique
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[modifier] BROUILLON, NE PAS ÉDITER, MERCI
Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.
Ce faible rayonnement est aussi connu sous le nom de rayonnement fossile, parfois employé dans la presse scientifique, mais cette appellation tend à tomber en désuétude. À noter qu'aucun de ces deux noms ne correspond exactement à sa traduction anglaise de Cosmic Microwave Background Radiation ou Cosmic Microwave Background (litt. «(rayonnement) de fond cosmique micro-onde»).
[modifier] Caractéristiques
L'analyse spectrale de ce rayonnement quasi isotrope permet d'identifier la source comme un corps noir à la température de 2,726 K, avec un maximum d'énergie rayonné à une longueur d'onde proche de 2000 µm (domaine des micro-ondes).
La principale anisotropie, d'environ 1,7 mK par rapport à la température moyenne, permet d'identifier deux pôles de directions opposées. Elle s'interprète comme le mouvement de la Terre par rapport à l'espace fixe (ou fond) d'où provenait le rayonnement thermique cosmologique. Ainsi, le mouvement du Système solaire par rapport à ce fond serait d'environ 390 km/h dans la direction de la constellation du Lion.
Comme le Système solaire se déplace lui-même par rapport à notre Galaxie, il en résulterait, par rapport à l'origine du rayonnement cosmologique, un mouvement de notre Galaxie de l'ordre de 600 km/s vers un point de coordonnées α=10,4 h, δ= -18°, et en conséquence un mouvement du Groupe local de 627 km/s dans la direction l=276° b=30° en coordonnées galactiques.
Les autres anisotropies (de l'ordre de 10-5) sont généralement attribuées à diverses interactions avec ces photons de basse énergie, principalement celles de la gravitation (cf. quasar) ou d'électrons à haute énergie (effet inverse de l'effet Compton).
[modifier] Dernières acquisitions de données
En 1992 le satellite COBE (COsmic Background Explorer) a mis en évidence des fluctuations de quelques millionièmes de degrés. Ces fluctuations ou anisotropies pourraient être à l'origine des grandes structures cosmiques actuelles.
En 2003, le satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) a été lancé pour dresser une carte à haute résolution de ces anisotropies de température.
[modifier] Découverte
En 1964, les radio-astronomes Penzias et Wilson, des laboratoires de la compagnie Bell Telephone, disposent d'une antenne qui servait initialement à la communication avec les satelites ECHO puis Telstar. Ils souhaitaient transformer cette antenne en radio-téléscope pour mesurer le rayonnement dans le domaine radio de la voie Lactée. Pour ce faire, ils avaient besoin de calibrer correctement l'antenne, et en particulier de connaître le bruit de fond généré par celle-ci ainsi que par l'atmosphère terrestre. Ils découvrent ainsi accidentellement un bruit supplémentaire d'origine inconnue au cours d'observations faites sur la longueur d'onde 7,35 cm. Ce bruit, converti en température d'antenne correspondait à une température du ciel de 3 K, ne présentait pas de variations saisonnières, et ses éventuelles fluctuations en fonction de la direction ne dépassaient pas 10 %. Il ne pouvait donc s'agir du signal émis par la Voie Lactée qu'il cherchaient à découvrir.
Penzias et Wilson ne connaissaient pas les travaux des cosmologistes de leur époque, et c'est fortuitement qu'ils les découvrent. Penzis mentionne fortuitement sa découverte au radio-astronome Bernie Burke, qui lui dit savoir de Ken Turner que John Peebles a prédit l'existence d'un rayonnement de quelques kelvins, et qu'une équipe composée de Dicke, Roll et Wilkinson de l'université de Princeton est en train de construire une antenne pour le détecter. Penzias prend alors contact avec Dicke pour lui faire part de ses résultats. Ils décident alors de publier conjointement deux articles, l'un signé de Penzias et Wilson décrivant la découverte du fond diffus cosmologique, l'autre signé par Peebles et l'équipe de Dicke en décrivant les conséquences cosmologiques. L'histoire raconte que lorsque Dicke apprit la découverte de Penzias, il dit à ses collaborateurs une phrase restée célèbre : Well boys, we have been scooped (litt. «Les gars, nous nous sommes fait devancer»). L'on ne sait pas bien si ces derniers auraient pu effectivement détecter ce rayonnement avec les moyens dont ils disposaient mais cela semble probable. Ils ont en tout cas détecté le fond diffus cosmologique à la longueur d'onde de 3 cm dans le courant de l'année 1965.
Penzias et Wilson recevront chacun 1/4 du prix Nobel de physique 1978 pour leur découverte.
Il a parfois été dit que les publications conjointes de Penzias et Wilson et de l'équipe de Dicke résultait d'une tentative de ces derniers d'acquérir le bénéfice de la découverte et obtenir le Prix Nobel. Cela semble peu probable, Penzias et Wilson ayant déclaré par la suite qu'ils préféraient publier leur mesure à part, au motif «que leur mesure était exacte, alors que l'interprétation de Peebles n'était qu'une interprétation qui pourrait s'avérer fausse.» En fait, Wilson était même à l'époque partisan de la théorie de l'état stationnaire, il était donc sans doute réticent
C'est à George Gamow que l'on attribue la préediction du fond diffus cosmologique. Gamow a effectivement prédit l'existence d'un rayonnement issu du Big Bang, mais n'en avait pas prédit le spectre de corps noir. C'est A. G. Dorochkevitch et I. D. Novikov qui en 1964 sont les premiers à prédire que le spectre du rayonnement doive être celui d'un corps noir et donc situé dans le domaine micro-onde. Ces auteurs vont même jusqu'à citer l'antenne des laboratoires Bell comme le meilleur outil pour détecter ce rayonnement. En 1961, E. A. Ohm avait rédigé un rapport interne décrivant les performance de cette antenne. Ce basant sur ce rapport, Dorochkevitch et Novikov concluent que ce rayonnement n'a pas été observé. Il s'agissait cependant d'une erreur d'interprêtation de leur part : le rapport de Ohm mentionnait une quantité Tsky, mesurée à 2,3 K, représentant la contribution de l'atmosphère terrestre. Dorochkevitch et Novikov semblent avoir interprêté cette quantité comme la somme de la contribution atmosphérique et du fond du ciel. Le chiffre de 2,3 K correspondant effectivement bien à la contribution atmosphérique telle qu'elle était estimée à l'époque, Dorochkevitch et Novikov ont alors conclu que la contribution du fond ciel devait être limité à une fraction de 2,3 K, en désaccord avec les prédictions de Gamow.
Sources :
[modifier] Explication théorique
Dans le cadre de la théorie dite du « big bang », cette lumière est la plus ancienne et la plus lointaine qui puisse être détectée. Elle aurait été émise environ 370 000 ans après le « big bang », lorsque l'Univers en expansion s'est suffisament refroidi et est passé d'un plasma dense et opaque à un gaz electriquement neutre et transparent. En 13 milliards d'années, l'expansion cosmique a étiré la longueur d'onde et le rayonnement est passé d'une température initiale de 3000 K, à la température d'environ 3 K que nous lui connaissons aujourd'hui.
[modifier] Divers
Un aspect majeur de la théorie du big bang fut la prédiction dans les années 1940 de l'existence d'un rayonnement micro-onde de fond cosmique. La théorie proposait que, étant donné que l'univers était très dense juste après le big-bang, la température était si élevée que les particules subatomiques étaient trop énergétiques pour former des atomes.
A mesure de l'expansion de l'univers, il aurait refroidit, permettant à la matière de se former à partir du plasma primordial. La théorie prédit qu'à un certain moment (qu'on pense situer à présent 500 000 ans après le big-bang) l'univers devint transparent, permettant aux photons de voyager et de n'arriver jusqu'à nous que de nos jours. Ce processus de vague d'énergie libre est appelé découplage des photons.
La théorie prédisait que cette vague d'énergie libre pourrait avoir laissé des traces dans le cosmos et aurait un certain nombre de propriétés remarquables. Essentiellement elle dit que comme l'univers était très chaud à un certain moment, il devrait être encore un peu chaud aujourd'hui et les calculs prédisaient une température résiduelle d'environ 3 Kelvin. De plus, la radiation s'étant produite simultanément partout, elle devrait être uniforme et isotrope. On devait également observer un tassement des fréquences vers le rouge avec la distance jusqu'à remonter à une époque où l'univers était opaque.
A l'époque, ces prédictions théoriques furent largement ignorées parce que leur vérification en était impossible en l'état de la technologie.
En 1964, Arno Penzias et Robert Wilson firent une série d'observations avec un récepteur micro-onde des laboratoires Bell (destiné à des communications téléphoniques) et découvrirent accidentellement le rayonnement de fond cosmique prédit par Gamow. Cette observation fut plus tard confirmée par le groupe de Peebles à l'Université de Princeton, qui essayait de construire une antenne micro-onde avec un MASER en rubis. En fait c'est en consultant le groupe de Peebles que Penzias et Wilson comprirent ce qu'ils avaient détecté et ils publièrent en commun leurs découvertes dans l'Astrophysical Journal.
Leur découverte globalement en accord avec les prédictions (même si le rayonnement de fond de ciel n'avait pas exactement la température attendue ; on l'utilisa dans des corrections mineures) et fit largement pencher la balance en faveur de la théorie du big bang. Penzias et Wilson reçurent le Prix Nobel pour leur découverte.
En 1989, le NASA lança le satellite Cosmic Background Explorer (COBE), et les découvertes initiales (publiées en 1990) étaient en accord avec les prédictions, trouvant une température résiduelle de 2,726 K, avec un fond cosmique isotropique et avec l'effet de tassement des fréquences. Au cours des années 1990 les données furent examinées finement pour trouver de petites variations spatiales dans le fond cosmique. Elles furent trouvées à la fin des années 1990. Au début de 2003, les résultats du satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) furent analysés, donnant les valeurs cosmologiques les plus précises à cette date. Ce satellite contredit plusieurs modèles inflationnistes mais les résultats restent compatibles avec la théorie de l'inflation en général.
[modifier] Voir aussi
[modifier] Liens externes
- (en) COsmic Background Explorer sur le site de la NASA
- (en) La physique des anisotropies du fond micro-ondes
