Les missions COBE, WMAP et Planck

L'étude du rayonnement cosmologique à 2.7 K (I)

En 1965, des radioastronomes découvrirent le rayonnement à 2.7 K, la trace du rayonnement cosmologique, c'est-à-dire l'écho du Big Bang. Ceci demande une explication.

Par analogie, quand une explosion se produit, à mesure que le temps passe le son et la température du phénomène diminuent. L'Univers connut un phénomène analogue à l'exception qu'il ne s'est pas produit dans une enceinte. Aujourd'hui, la température moyenne de l'Univers est tombée à 2.72548 ±0.00057 K soit environ -270.4°C. Cette température est isotrope et donc indépendante de l'endroit du ciel ou plutôt de l'orientation dans laquelle on la mesure.

Les modèles cosmologiques inflationnaire et ΛCDM qui représentent aujourd'hui les deux composantes du modèle cosmologique Standard du Big Bang stipulent que si l'énergie des photons est modifiée, il doit être possible de déceler ses fluctuations dans le rayonnement du corps noir, c'est-à-dire dans le rayonnement cosmologique à 2.7 K. Mais ce rayonnement micro-onde qui baigne tout l'univers est difficile à enregistrer depuis le sol.

En effet, pour les radioastronomes, cette véritable friture radioélectrique n'est accessible qu'à certaines fréquences ouvertes dans l'atmosphère terrestre. A plus de quelques centimètres de longueur d'onde, le faible signal est écrasé par le rayonnement stellaire de la Voie Lactée qui masque facilement les faibles fluctuations du fond du ciel. Il est tout aussi impossible d'enregistrer les très hautes fréquences sur Terre car le rayonnement micro-onde est absorbé par la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère terrestre (cf. la fenêtre micro-onde).

La seule solution consiste à placer sur orbite un satellite sensible aux longueurs d'ondes millimétriques entre infrarouge et radio et de soustraire ensuite les émissions parasites (dipôle, Voie Lactée, etc).

La mission COBE

C'est dans le but d'étudier le rayonnement cosmologique que le satellite COBE fut lancé en novembre 1989 à 900 km d’altitude. Il était équipé de trois détecteurs : DIRBE pour cartographier le rayonnement infrarouge proche, FIRAS pour mesurer le rayonnement cosmologique à 2.7 K et DMR pour déceler des fluctuations primordiales aux longueurs d’ondes de 3.3, 5.7 et 9.5 mm (90.8, 81.0 et 31.6 GHz). Mais les astronomes n'imaginaient pas à quel point ces mesures les étonneraient.

En effet, en avril 1992, les résultats de la mission COBE firent la manchette de tous les journaux et magazines scientifiques du monde. L'astrophysicien américain George F. Smoot[11] du Lawrence Berkeley Laboratory et fondateur du projet annonça que le satellite COBE avait découvert des fluctuations micro-ondes atteignant 1/30 millionième de degré Kelvin à 5 millionième près entre deux points du ciel distants de plusieurs dizaines de degrés.

Ces fluctuations, bien que très faibles, correspondent à des structures primordiales de 1000 Mpc ou plus vastes encore. Depuis d’autres expériences équivalentes ont révélé des structures de l’ordre de 100 Mpc. En d’autres mots, l’analyse minutieuse des données révéla que la radiation à 2.7 K n’était pas uniforme...

Mais dès sa publication, Smoot dut combattre les préjugés des astronomes. Il avait déjà découvert en 1977 l'anisotropie du rayonnement cosmologique[12]. Il récidivait aujourd'hui, en annonçant que ces fluctuations de température confortaient les théories cosmologiques standards y compris la relativité générale.

Mis à part les quelques opposants à la théorie du Big Bang, il y avait surtout la question de la validité des données. Etions-nous certains que ces fluctuations correspondaient à des données et non pas à des bruits parasites ?

Dans son livre "Les rides du temps", Smoot explique toutes les sources d'erreurs que lui et son équipe ont dû écarter pour obtenir une carte micro-onde lavée de toute contamination. Outre les émissions artificielles et les sources discrètes d'émissions extragalactiques qu'il fallut éliminer, deux puissantes sources parasites apparaissent clairement sur les enregistrements :

- Le niveau constant provoqué par la vitesse de déplacement de la Voie Lactée en direction du Grand Attracteur (à 45° près) à 627 ±22 km/s (cf. A.Kogut et al., 1993) qui génère un dipôle continu à l'image de l'effet Doppler (ci-dessous à gauche). Sa direction (l = 276°, b = 30°) est globalement opposée à celle de déplacement du Soleil (cf. ce schéma des vitesses propres du Soleil et de la Galaxie par rapport au rayonnement cosmologique).

- Les émissions du gaz ionisé de la Voie Lactée, de la poussière interstellaire et les émissions synchrotron des électrons des rayons cosmiques spiralant autour des lignes de force des champs magnétiques interstellaires (ci-dessous à droite).

Cartes du fond diffus cosmologique sur lesquelles se superposent le dipôle lié au déplacement de la Voie Lactée (à gauche) et les émissions de la Voie Lactée (à droite). Voici la modélisation du dipôle obtenue en 2012. En soustrayant ces deux contributions ainsi que les autres bruits parasites, on obtient une carte ne comprenant que les fluctuations aléatoires à 2.7 K (voir ci-dessous). Documents NASA/COBE/LBL.

Après soustraction des signaux parasites, du dipôle et de la Voie Lactée, il reste les fluctuations aléatoires du rayonnement cosmologique, la fameuse carte de COBE représentant la dernière surface de diffusion. Ce concept mérite quelques explications.

Comme au Moyen-Âge, imaginez que nous sommes au centre d'une sphère céleste qui s'étend depuis ~13.77 milliards d'années. Chaque astre évolue sur la surface d'une sphère. Derrière les astres du système solaire, la première sphère imaginaire que l'on voit dans le ciel est celle des étoiles, puis celle des galaxies. Le rayonnement cosmologique à 2.7 K provient de la dernière surface de cette sphère imaginaire qui s'éloigne de plus en plus de nous. C'est sa cartographie que réalisèrent les chercheurs.

Cette émission micro-onde est omniprésente, homogène et isotrope à 10^-5 près. Ce rayonnement bien que très faible est relativement important puisqu'il représente 400 photons/cm³ et environ 1% de la "neige" qui apparaît sur les postes TV.

Lors de la conférence du 23 avril 1992 à l'American Physical Society, Stephen Hawking considérait que la découverte de Smoot était "la plus importante du siècle, sinon de tous les temps". Elle balayait la théorie des textures de David N. Spergel et la théorie des cordes cosmiques de Jeremiah P. Ostriker. Cette théorie était même approuvée par Carlos Frenk, Alan Guth et Andrei Linde dont les modèles CDM et inflationnaire expliquaient ce type de fluctuations, ce qui fit très plaisir aux cosmologistes défendant la théorie du Big Bang inflationnaire.

Pour l'anecdote, en présentant cette photographie des premiers instants de l'Univers, Smoot déclara : "C'est comme voir le visage de Dieu", propos irrationnels qui lui valurent quelques remarques des laïques. Smoot expliqua par la suite qu'il voulait dire avoir été imprégné d'un sentiment presque métaphysique en voyant cette "première lumière" de la Création.

Il est vrai qu'à une époque si proche du Big Bang, elle pose des questions. L'expression de Smoot sous-entend aussi que si les scientifiques ne parviennent pas à expliquer l'origine de ces fluctuations, l'origine de l'Univers serait alors inexplicable, de nature transcendante... Mais ceci est un autre débat.

Le rayonnement à 2.725 K détecté par le satellite COBE épouse parfaitement la courbe d'émission du corps noir, c’est-à-dire la courbe d’émission d’un objet en équilibre thermique à 2.725 K. Il corrobore l'hypothèse de Richard Tolman et de George Gamow selon laquelle l'Univers connut une période très chaude dans le passé, indépendante de la nature de la matière, et s’est ensuite refroidi suite à son expansion.

Grâce à cette percée du Big Bang, tous les cosmologistes considèrent aujourd’hui que de petites fluctuations d'énergie existantes peu après le Big Bang se sont étendues avec le reste de l'Univers pour devenir de vastes régions ayant, comparativement au reste, une grande densité. Ces halos extrêmement denses auraient été les germes des futures galaxies et amas de galaxies.

Mais Penzias et Peebles n'étaient pas de cet avis considérant le problème de la matière sombre. L'Univers disaient-ils, serait moins dense que prévu et ne contiendrait que de la matière ordinaire. Si l'Univers était plus dense il serait constitué de structures que les observations ne confirment pas.

Toutefois, les défenseurs du modèle de la matière sombre rétorquèrent à leurs collègues qu'à grande échelle l'existence de la matière non baryonique est prouvée. Il existe également un grand nombre d'objet à 12 ou 13 milliards d'années-lumière. Sans matière sombre, ils n'auraient jamais pu se former à une époque aussi reculée, aussi précoce.

Smoot et son équipe étaient bien conscients que cette découverte n'était pas définitive. A cause de son grand champ de vision - 7 à 90° d’arc - COBE n'a pu mesurer les plus petites variations dans le fond continu de rayonnement. Des petites différences de magnitude sur quelques minutes d'arc apporteraient beaucoup d'informations sur la formation des galaxies et des amas de galaxies.

Avec une résolution minimale de 7°, les plus petites "rides" pointées sur la carte colorée de Smoot ont une dimension de 500 millions d'années-lumière et sont dix fois plus étendues que les superamas de galaxies que nous voyons aujourd’hui. Les plus vastes régions d’équidensité dépassent largement nos catalogues de galaxies !

Cette découverte a également d'autres retombées. Ces "rides" dans la mer d'énergie ne sont pas temporaires car elles souligneront également de leurs traits le vieillissement de l'Univers.

La théorie du Big Bang fut à nouveau confirmée lors du Meeting de l'American Astronomical Society en 1993. John C.Mather de la NASA-Goddard Space Flight Center présenta un nouveau spectre du corps noir sur base des centaines de millions de mesures relevées par COBE. Cette fois, la courbe millimétrique se superposait de façon indistincte sur la courbe théorique du corps noir à 2.725 K ! L'intensité maximale de cette émission micro-onde correspond à une fréquence d'environ 160 GHz.

COBE tend à confirmer les théories cosmologiques standards au détriment des théories exotiques que nous venons de voir. En effet des fluctuations de 0.0000003 K obéissent au modèle dit de "Harrison-Zel’dovitch" dans lequel la gravitation joue un rôle majeur et laisse de côté toutes les particules exotiques que nous avons imaginées. Seule la matière sombre est non baryonique. Il garde tous les monopôles mais l'Univers est tellement vaste aujourd'hui que l'inflation les a dilués dans tout son volume. Quant à la courbure de l'espace-temps, elle n'est pas mesurable à notre échelle, d'où l'impression de platitude qu'il donne. Le modèle de Harrisson-Zel’dovitch précise que la densité de l’Univers doit être très proche (à 0.01%) de sa densité critique.

Grâce aux mesures de COBE, les astronomes peuvent enfin utiliser "officiellement" la théorie de l'Univers inflationnaire sans craindre les critiques. Mais la tâche des astronomes reste difficile car plus de 90% des fluctuations relevées par COBE ne font pas partie de la matière ordinaire. Si l'Univers est réellement plat, avec une densité Ω = 1, l'Univers est rempli de matière sombre et COBE allait donner du travail aux astrophysiciens pendant quelques années. Si l'esthétique du modèle inflationnaire plaît à plus d'un chercheur, la relation Ω = 1 est mythique et confirmera le cas échéant l'unité de la nature.

Les cosmologistes tels Andrei Linde et Alan Guth considèrent que la théorie de l'inflation à un bel avenir. Mais quoi qu'ils disent, compte tenu de nos moyens observationnels il est encore trop tôt pour imaginer de quel scénario les fluctuations de densité sont les vedettes.

Un fait est à présent acquis : depuis les années 1920 les astronomes attendaient une observation qui viendrait corroborer la thèse du Big Bang. C'est à présent chose faite grâce au satellite COBE.

Les fluctuations du rayonnement à 2.725 K ne prouvent pas l'inflation mais confirment que le Big Bang fut suivi par une période très chaude. Ensuite l'Univers s'est vraisemblablement détendu adiabatiquement. Nous savons aussi grâce aux fluctuations que la gravitation a joué un rôle prédominant. Il nous manque évidemment beaucoup de réponses.

Car si les fluctuations ont bien existé, rien n'explique pour quelles raisons le Big Bang s'est produit. Dans ce domaine, physiciens et astrophysiciens sont toujours au stade des spéculations. Nos modèles théoriques n'existent que dans le but d'épouser la réalité.

Pour être crédible une "bonne" théorie des fluctuations devra confronter ses prédictions aux observations et à l'expérience, tandis que pour renverser la "théorie-cadre" elle devra être à même d'englober les anciennes lois de ladite théorie. Or à ce jour, ni dans l'espace ni dans les accélérateurs de particules les mystérieux acteurs quantiques n'ont été découverts. Seuls ci et là quelques phénomènes, mais localisés à certaines échelles confirment la validité des théories.

Mais une éprouvette ou un archipel sidéral de 30 millions d'années-lumière n'est pas l'Univers ! Les paris étant toujours ouverts, les physiciens avancent d'autres propositions pour expliquer la structure de l'Univers dès l'instant du Big Bang.

Ils font appel aux trous noirs primordiaux, à l'explosion des étoiles massives de la première génération, etc. Malheureusement toutes ces propositions ne répondent pas aux questions soulevées par les problèmes majeurs du modèle Standard du Big Bang et que nous avons exposées dans la théorie de l'Univers inflationnaire.

Par leurs effets gravitationnels, il est évident que des entités exotiques ont pu provoquer une brisure de symétrie et une "cristallisation" de la matière. Mais l'Univers pèse de tout son poids et nul ne sait dans quel sens penche son avenir. Plongés dans la mer cosmique, notre vision du monde baigne encore dans une écume à moitié obscure.

En octobre 2006, John C. Mather et George F. Smoot reçurent le prix Nobel de Physique pour leurs travaux sur le rayonnement cosmologique ainsi que l'explique cet article du LBL. On en déduit que la communauté scientifique et en particulier les cosmologistes soutiennent encore un peu plus la théorie du Big Bang. Cela se révéla encore plus fructueux quelques années plus tard.

WMAP

La carte du rayonnement cosmologique étabie par Smoot et son équipe soulevait un problème complexe. Comme nous l'avons vu, cette matière sombre n'explique pas simultanément la formation des grands amas et celle des galaxies individuelles. Les mesures devaient être plus précises si on souhaitait en tirer une théorie plus adaptée aux observations. Ce qui fut fait.

Construit en 1986, COBE était déjà dépassé sur le plan technique lors de son lancement. Puisqu'on savait maintenant quelle devait être sa sensibilité, en 2003 la NASA lança le satellite WMAP dont la mission consista à préciser les fluctuations du rayonnement cosmologique, l'intensité des grandes fluctuations quantiques et de déterminer l'âge de l'univers avec une précision de 1%.

A gauche, le satellite WMAP. A droite, la carte des fluctuations de température du rayonnement cosmologique relevées par le satellite WMAP en 2008. Elle représente l'état de l'Univers il y a 13.4 milliards d'années. Les plus petites fluctuations de température atteignent 200 μK. Documents NASA.

La mission WMAP dura 5 ans, au terme desquels les cosmologistes purent dresser une nouvelle carte des fluctuations de température avec une résolution 30 fois supérieure à celle de COBE comme on le voit ci-dessus à droite.

L'analyse des résultats a permis de fixer les valeurs de plusieurs paramètres cosmologiques (l'indice "o" faisant référence à l'époque actuelle) :

- L'âge de l'Univers observable : 13.77 ±0.059, soit à 0.4% près