La recombinaison et le rayonnement fossile


La prochaine grande étape de l’évolution de l’Univers se produit lorsque celui-ci est âgé de 380.000 ans et que sa température est tombée à 3000 degrés.

La recombinaison

Avant cette époque, protons et électrons sont libres et les atomes ne peuvent pas exister. Si par hasard un proton et un électron se rencontrent et s’associent pour former un atome, leur liaison est immédiatement détruite par un photon. Pour cette même raison, les photons, qui sont rapidement absorbés par ces atomes éphémères, ont une durée de vie très courte. Ils n’ont donc guère le temps de se déplacer, ce que l’on exprime en disant que l’Univers leur est opaque.

Le changement arrive lorsque la température de l’Univers atteint les 3000 degrés. L’énergie moyenne des photons passe alors sous le seuil de la liaison électron-proton. Le rayonnement perd ainsi sa capacité à dissocier les couples qui se forment. Les rencontres au hasard entre noyaux et électrons vont dorénavant donner naissance à des composés stables : les premiers atomes d’hydrogène ou d’hélium. Cette époque est connue sous le nom de recombinaison puisque noyaux et électrons se combinent ensemble.

Le rayonnement fossile

En même temps, les photons sont maintenant trop peu énergétiques pour être absorbés par les atomes. La lumière n’a plus d’obstacle et les photons peuvent désormais se propager sans entrave. L’Univers devient transparent pour la lumière et l’on dit que le rayonnement se découple de la matière.

Ce découplage a laissé une trace qui est encore observable de nos jours. En effet, comme il ne peut être absorbé, ce rayonnement qualifié de fossile emplit toujours encore l’Univers. Cependant sa température a été divisée par un facteur 1000 car la taille de l’Univers a été multipliée par ce même facteur depuis l’époque de la recombinaison. Comme la température était d’environ 3000 degrés à l’époque, l’Univers actuel doit être baigné d’un rayonnement à environ trois degrés du zéro absolu (2.725 pour être précis). D’après la loi de Wien, son maximum se trouve par conséquent à une longueur d’onde de l’ordre du millimètre dans le domaine des micro-ondes.

Antenne des laboratoires Bell

L’antenne des laboratoires Bell à Holmdel où Arno Penzias et Robert Wilson découvrirent le rayonnement fossile en 1965. Crédit : Bell Labs

La découverte du rayonnement fossile

La confirmation de l’existence de ce rayonnement fossile vint dans les années 1960. Deux astrophysiciens américains, Robert Dicke et James Peebles s’attaquèrent au problème de la naissance de l’Univers et prédirent que l’Univers devait être baigné par un rayonnement fossile dont le maximum d’intensité se trouvait dans le domaine des micro-ondes. Pour confirmer cette prédiction, Dicke et ses collaborateurs se lancèrent dans la construction d’une antenne destinée à détecter le rayonnement fossile.

Ils furent cependant devancés par accident par deux ingénieurs américains, Arno Penzias et Robert Wilson. Ces derniers avaient conçu une antenne micro-ondes destinée à recevoir les signaux de Telstar, le premier satellite de communication. Lors de leurs premiers essais, en mai 1965, ils se rendirent compte qu’ils captaient un signal imprévu qui présentait la particularité d’être identique dans toutes les directions du ciel. Pensant qu’il s’agissait d’un simple bruit dû aux circuits électroniques ou à l’antenne, ils vérifièrent tout l’appareillage et nettoyèrent même les déjections d’oiseaux, mais sans succès.

L’explication leur vint finalement lorsqu’ils entendirent parler des travaux de Dicke et de Peebles : leur antenne ne captait pas un bruit parasite mais le rayonnement fossile à trois degrés du zéro absolu. Cette découverte constituait un succès éclatant pour la théorie du Big Bang et valut à Penzias et Wilson le prix Nobel de physique. Elle fut rapidement confirmée par l’antenne de Dicke, fin 1965, puis par toute une série d’instruments, depuis des antennes terrestres jusqu’à des capteurs installés dans des ballons ou des fusées.

Le rayonnement fossile par WMAP

Le rayonnement fossile, une relique du Big Bang, mesuré par le satellite WMAP. Crédit : NASA/WMAP

Les satellites COBE, WMAP et Planck

Finalement, en 1989, fut lancé le satellite COBE qui avait pour mission d’étudier le rayonnement fossile avec une résolution inégalée. Cet instrument spatial fournit un spectre qui correspondait avec une incroyable précision à celui d’un corps noir avec une température de 2.725 degrés au-dessus du zéro absolu. Après cette observation, l’origine du rayonnement fossile ne faisait plus de doute. Cette lumière micro-onde constituait bien une preuve que l’Univers était passé par une phase extrêmement dense et chaude. Des observations similaires mais encore plus précises furent ensuite effectuées par les satellites WMAP, lancé en 2001, et Planck, lancé en 2009.


Page mise à jour le 2 juin 2016 par Olivier Esslinger