L’isotropie du rayonnement fossile
L’isotropie du rayonnement fossile observée par la satellite COBE. Bien sûr, la mission de COBE était de rechercher d’infimes variations du rayonnement dans le ciel, mais c’est là une autre histoire. Crédit : NASA

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 des satellites WMAP, lancé en 2001, et Planck, lancé en 2009.

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’homogénéité de l’Univers expliquée 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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