Le satellite Planck, lancé le 15 mai 2009, est dédié à l’observation de la première lumière émise par l’Univers : un rayonnement fossile du nom de Fond Diffus Cosmologique.
Prenez la vieille guitare folk de papa, réminiscence d’un temps où il était encore barbu et sympa. Déposez sur la surface plane offerte par la caisse de résonance une fine strate de sable fin. Grattez une corde. Le sable se meut et s’arrange en dessinant des motifs périodiques. Ces formes sont la signature de la note grattée : refaites l’expérience en changeant de corde, et vous verrez le sable s’arranger d’une toute autre façon. Et puis après tout, changez de guitare, y-en a marre des vieux beatniks ! En rejouant la même note, vous n’obtenez pas les mêmes motifs! Ils résultent d’une subtile combinaison de la vibration acoustique fondamentale que vous avez générée en grattant cette corde de cette guitare qui j’espère vous rendra célèbre, et des harmoniques créées par la caisse de résonance. Ainsi ces motifs sont la signature de la note et de la guitare.
L’Univers, quand il a libéré la lumière de la matière dans des temps fossilisants, nous a laissé des motifs de lumière micro-onde, comme celle du four. Cette première lumière, enfin affranchie du carcan oppressant de ces lourdauds de protons et d’électrons, enfin libre de se propager où bon lui semble, s’est organisée tout comme nos petits motifs sablonneux, de par sa vibration fondamentale, résultante de l’énergie de l’Univers lui-même, en quelque sorte la note que vous avez grattée, et de ses vibrations secondaires, les harmoniques, liées quant à elles à la forme de l’Univers, sa composition, sa propre guitare en quelque sorte !
Avec la vôtre de guitare, la note grattée met environ 2 millisecondes à vous parvenir. Le rayonnement du Fond Diffus Cosmologique a, quant à lui, un âge de 13,7 milliards d’années. 13,7 milliards d’années au cours desquelles cette lumière s’est diluée dans un Univers en perpétuelle expansion. Pas de quoi affoler les cosmologistes, je vous rassure tout de suite.
L'instant T
Avant ce prodigieux flash de liberté, les particules de lumière, appelées photons, sont piégées par une soupe dense et instable de matière pleine d’énergie, sur laquelle elles n’ont de cesse de rebondir. L’Univers en est tout opaque. Mais déjà il s’étend. Cette expansion que nous observons toujours aujourd’hui en mesurant la vitesse des galaxies qui nous entourent et qui toutes s’éloignent de nous. Or, c’est par son expansion que les densités de matière et d’énergie ont pu décroître, jusqu’à ce qu’elles soient suffisamment faibles pour permettre aux premiers atomes les plus simples de se former. En particulier ceux d’hydrogène qui constituent de loin la plus grande partie de la matière que nous connaissons mais aussi le futur combustible du cœur des étoiles. Au même moment, les photons se sont découplés de la matière, et, libres de se propager, ils rendirent l’Univers transparent. Avec cette expansion de l’Univers, avec la nucléosynthèse primordiale c’est-à-dire la formation des premiers éléments tels que l’hydrogène mais aussi l’hélium, le lithium ou le bérylium, l’existence des premiers photons libres du rayonnement du Fonds Diffus Cosmologique constitue l’un des 3 piliers observationnels de la théorie du Big Bang, ce Grand Boum fondamental à propos duquel tout le monde a entendu un jour une drôle de chanson.
De Max Planck à Planck
Le rayonnement du Fonds Diffus Cosmologique a une caractéristique tout à fait exceptionnelle : Max Planck montra qu’un corps idéalement noir émet toute son énergie thermique sous forme de radiation électromagnétique, de lumière donc, et notre rayonnement fossile est le rayonnement de corps noir le plus parfait jamais observé, et ceci dans toutes les directions du ciel. De quoi intéresser bon nombre de physiciens! S’il correspondait à une température d’environ 3000°C à sa libération, sa température est aujourd’hui de 2,725° au dessus du zéro absolu, expansion oblige. Vous avez intérêt à ne pas être trop agité si vous voulez voir un rayonnement d’une telle température : c’est le cas du satellite Planck, dont les détecteurs sont refroidis à -273,05°C soit 0,1° au dessus du zéro absolu. Une prouesse technologique à faire pâlir plus d’un cryogéniste. Mais mesurer les infimes subtilités de ce rayonnement d’un point à un autre du ciel est tout l’enjeu d’une telle mission spatiale. Une précision hors-normes pour lever les incertitudes sur une théorie du Big Bang qui n’explique tout de même pas tout. Comment les structures comme celle dans laquelle nous vivons, une Terre dans un Système Solaire dans une Voie Lactée ou autres inhomogénéités telluriques, stellaires et galactiques peuvent-elles exister? Par l’existence d’inhomogénéités primordiales déjà présentes dans la soupe primordiale? Si oui alors de fines vibrations du rayonnement fossile doivent en être la signature... Ou encore : parmi tous les paramètres cosmologiques relatifs à la géométrie, la composition et l’évolution de l’Univers, certains comme la constante de Hubble ou taux d’expansion de l’Univers et la densité totale d’énergie sont en compétition quant à leurs contributions respectives dans l’interprétation du spectre du Fond Diffus Cosmologique observé jusqu’à maintenant. Qui dit plus de précision dit mieux contraindre la réalité de ces paramètres cosmologiques, et ainsi mieux comprendre notre Univers. Jamais vu une charismatique rock-star gratter une guitare aussi intrigante ! Je vous rassure une fois de plus, grâce au satellite Planck les cosmologistes toulousains et d’ailleurs travaillent activement à la décomposition spectrale de sa mystique musique et nous diront (ou pas!) tout ce qui doit en être dit.
Baptiste Joalland
Cet article est également disponible dans le numéro 12 de Plume ! réalisé entièrement par les doctorants toulousains, dans le cadre d'une formation doctorale.
"Au même moment, les photons se sont découplés de la matière, et, libres de se propager, ils rendirent l’Univers transparent"
Quelle poésie!