Le fond diffus cosmologique
Le fond diffus cosmologique, souvent désigné par l'abréviation CMB provenant de l'anglais Cosmic Microwave Background, est un rayonnement électromagnétique extrêmement ancien présent dans toutes les directions de l'Univers observable. Il constitue l'un des principaux vestiges observables de l'Univers primordial et représente une preuve fondamentale du modèle du Big Bang chaud. Ce rayonnement a été émis lorsque l'Univers avait environ 380 000 ans, soit bien avant la formation des premières étoiles et des premières galaxies. À cette époque, l'Univers s'était suffisamment refroidi pour permettre aux électrons libres de se lier durablement aux noyaux atomiques, principalement ceux d'hydrogène et d'hélium. La disparition d'une grande partie des électrons libres permit alors aux photons de voyager beaucoup plus librement dans l'espace sans être constamment diffusés par les particules chargées. Ces photons se propagent depuis cette époque et peuvent encore être détectés aujourd'hui, après avoir traversé l'Univers pendant plus de 13 milliards d'années. L'étude du fond diffus cosmologique fournit ainsi aux astronomes une véritable image de l'Univers très jeune et permet de mesurer avec une grande précision plusieurs paramètres fondamentaux de la cosmologie.
Avant l'émission du fond diffus cosmologique, l'Univers était beaucoup plus chaud et se trouvait essentiellement sous la forme d'un plasma ionisé composé notamment de noyaux atomiques, d'électrons et de photons. Les photons interagissaient fréquemment avec les électrons libres par diffusion, ce qui rendait le milieu cosmique opaque sur de grandes distances. À mesure que l'Univers se dilatait, sa température diminuait progressivement jusqu'à atteindre quelques milliers de kelvins. Environ 380 000 ans après le Big Bang, les conditions devinrent suffisamment froides pour que les électrons puissent rester liés aux noyaux et former des atomes électriquement neutres. Cette période est traditionnellement appelée recombinaison, bien qu'il s'agisse en réalité de la première combinaison durable des électrons et des noyaux dans l'histoire cosmique. La diminution considérable du nombre d'électrons libres rendit alors l'Univers transparent à une grande partie du rayonnement électromagnétique. Les photons qui cessèrent à cette époque d'interagir fréquemment avec la matière constituent ce que nous observons aujourd'hui comme le fond diffus cosmologique. La surface apparente depuis laquelle ces photons nous parviennent est appelée la surface de dernière diffusion, car elle correspond à la dernière époque où la majorité de ces photons furent fortement diffusés par la matière.
Au moment de leur dernière diffusion, les photons du fond cosmologique correspondaient à un rayonnement beaucoup plus énergétique qu'aujourd'hui, car l'Univers possédait alors une température de plusieurs milliers de kelvins. Pendant les milliards d'années qui suivirent, l'expansion de l'Univers étira progressivement la longueur d'onde de ces photons, phénomène appelé décalage cosmologique vers le rouge. Leur énergie diminua donc jusqu'à ce que leur distribution corresponde aujourd'hui principalement au domaine des micro-ondes. Le fond diffus cosmologique possède actuellement une température moyenne d'environ 2,725 kelvins, soit seulement quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Son spectre correspond avec une remarquable précision à celui d'un corps noir, ce qui constitue une importante confirmation de l'existence d'un Univers primordial chaud et dense. Ce rayonnement est présent pratiquement dans toutes les directions du ciel et possède une température remarquablement uniforme à grande échelle. Toutefois, cette uniformité n'est pas parfaite : de minuscules différences de température existent entre différentes directions. Ces variations extrêmement faibles, appelées anisotropies du fond diffus cosmologique, contiennent une quantité considérable d'informations sur les conditions physiques qui régnaient dans l'Univers primordial.
L'existence d'un rayonnement fossile associé à un Univers primordial chaud avait été prédite avant sa découverte observationnelle, mais le fond diffus cosmologique fut découvert accidentellement en 1965 par les radioastronomes Arno Penzias et Robert Wilson. Ceux-ci utilisaient une antenne particulièrement sensible et observaient un bruit micro-onde persistant qu'ils ne parvenaient pas à éliminer, quelle que soit la direction vers laquelle leur instrument était orienté. Après avoir vérifié différentes causes instrumentales et environnementales possibles, ils constatèrent que ce signal semblait provenir de toutes les directions du ciel. Au même moment, une équipe dirigée par Robert Dicke à l'université de Princeton préparait justement une expérience destinée à rechercher le rayonnement résiduel attendu d'un Univers primordial chaud. Le rapprochement entre les deux travaux permit rapidement d'identifier le signal observé par Penzias et Wilson comme le rayonnement cosmologique prédit. Cette découverte apporta un argument observationnel majeur en faveur du modèle du Big Bang et contribua au recul des modèles cosmologiques concurrents de l'époque, notamment celui de l'état stationnaire. Penzias et Wilson reçurent en 1978 le prix Nobel de physique pour leur découverte du rayonnement micro-onde cosmologique, qui devint ensuite l'un des objets les plus étudiés de la cosmologie observationnelle.
Les minuscules anisotropies présentes dans le fond diffus cosmologique constituent l'une des caractéristiques les plus importantes de ce rayonnement. La température du CMB varie d'une direction à l'autre d'environ quelques dizaines de millionièmes de kelvin aux échelles pertinentes, après prise en compte de plusieurs effets plus importants liés notamment au mouvement de l'observateur. Ces variations reflètent entre autres de faibles différences de densité présentes dans l'Univers primordial. Les régions légèrement plus denses possédaient une attraction gravitationnelle supérieure et devinrent progressivement les régions à partir desquelles se développèrent les futures structures cosmiques. Sous l'action de la gravitation, ces minuscules irrégularités furent amplifiées pendant des milliards d'années jusqu'à participer à la formation des étoiles, des galaxies, des amas et des grands filaments de matière. Les motifs statistiques des anisotropies permettent également d'étudier les oscillations acoustiques qui existaient dans le plasma primordial, où la gravitation et la pression du rayonnement produisaient des compressions et des raréfactions. L'analyse de ces motifs fournit des renseignements particulièrement précis sur la quantité de matière ordinaire, la quantité de matière noire, la géométrie spatiale et d'autres paramètres cosmologiques. Le fond diffus cosmologique constitue donc un lien observationnel direct entre les faibles fluctuations de l'Univers primordial et la formation ultérieure des grandes structures.
Plusieurs missions spatiales ont considérablement amélioré notre connaissance du fond diffus cosmologique en réalisant des cartes de plus en plus précises de sa température et de sa polarisation. Le satellite COBE, lancé en 1989, confirma avec une très grande précision le caractère de corps noir du spectre du rayonnement cosmologique et détecta les anisotropies primordiales à grande échelle. La mission WMAP, lancée en 2001, produisit ensuite des cartes beaucoup plus détaillées du ciel et permit d'améliorer fortement les estimations de plusieurs paramètres cosmologiques. Le satellite Planck, lancé en 2009 par l'Agence spatiale européenne, réalisa des observations encore plus précises de la température et de la polarisation du CMB sur l'ensemble du ciel. Ces données ont permis de tester rigoureusement le modèle ΛCDM et d'estimer notamment l'âge de l'Univers, sa composition et sa géométrie à grande échelle. L'analyse du CMB doit toutefois distinguer le signal cosmologique de nombreuses émissions produites plus près de nous, notamment par la poussière et le gaz de la Voie lactée ainsi que par différentes sources extragalactiques. Les instruments modernes utilisent donc plusieurs fréquences d'observation afin de séparer ces émissions du véritable signal cosmologique. Les mesures obtenues constituent aujourd'hui l'un des ensembles de données les plus précis dont disposent les cosmologistes pour étudier l'Univers primordial.
Le fond diffus cosmologique demeure finalement un outil essentiel pour comprendre l'origine, la composition et l'évolution de l'Univers. Ses propriétés sont compatibles avec un Univers autrefois beaucoup plus chaud et dense qui s'est progressivement refroidi au cours de son expansion. Ses anisotropies permettent de déterminer avec une grande précision plusieurs paramètres du modèle ΛCDM et de tester les théories décrivant les premières phases de l'histoire cosmique. Sa polarisation fournit des informations supplémentaires sur la dernière diffusion des photons, la réionisation de l'Univers et les perturbations présentes dans le cosmos primordial. Les chercheurs tentent notamment de détecter certaines signatures particulières dans cette polarisation qui pourraient fournir des renseignements sur une éventuelle période d'inflation cosmique, bien qu'une preuve observationnelle définitive de certains signaux recherchés n'ait pas encore été obtenue. Le CMB intervient également dans l'étude de questions actuelles telles que la masse des neutrinos, la croissance des structures et les différences entre certaines mesures de la constante de Hubble. De nouvelles expériences terrestres et spatiales cherchent donc à mesurer ce rayonnement avec une sensibilité toujours plus grande et à contrôler plus précisément les émissions astrophysiques qui peuvent masquer son signal. Observer le fond diffus cosmologique revient ainsi à regarder aussi loin dans le passé que la lumière électromagnétique ordinaire le permet, jusqu'à une époque où l'Univers ne représentait qu'une infime fraction de son âge actuel.