Le fond diffus cosmologique comme preuve du Big Bang

Vous avez tous, sans aucun doute, déjà entendu parler du Big Bang. Mais savez-vous ce qui se cache réellement derrière cette appellation ? Il y a-t-il vraiment des preuves qu’un tel évènement soit jamais arrivé ? C’est ce que nous allons voir aujourd’hui !

Big Bang

Aujourd’hui, la théorie du Big Bang est une théorie scientifique très populaire et très vastement acceptée par la communauté scientifique. Elle vise à expliquer l’expansion rapide de notre univers à partir d’un point restreint de l’espace avec une très haute densité de matière et de très haute température. Il est toutefois utile de préciser que le Big Bang ne représente en rien le début ou la création de l’univers. À l’heure actuelle, il existe même un pan entier de la physique visant à comprendre à quoi ressemblait l’univers avant même cet événement. La théorie du Big Bang a été mise en lumière par le très carolo George Lemaître dans les années 1920. Cela pourrait paraître surprenant aujourd’hui, mais à l’époque, cette théorie était très controversée voire même moquée. Le nom de « Big Bang » (signifiant littéralement le « Gros Boum ») était en réalité un surnom inventé pour ridiculiser cette théorie. A ce moment là, cette théorie un peu avant-gardiste venait se heurter frontalement à l’idée d’un univers parfaitement fixe et éternel très en vogue à l’époque.

Deux ans après la publication de cette théorie, l’américain Edwin Hubble apportera un peu plus de crédibilité aux yeux du public grâce à ses recherches. Il avancera des preuves montrant que les galaxies ont tendance à s’éloigner les unes des autres au fil du temps, corroborant l’hypothèse d’une « explosion » initiale éloignant des débris de l’origine de la détonation. Ensuite, il faudra attendre les années 1940 pour que l’opinion de la communauté scientifique commence à changer grâce à la théorisation du Fond Diffus Cosmologique par Alpher, Herman et Garrow. Et finalement, le Big Bang mettra tout le monde d’accord dans les années 1960 grâce à l’observation de ce même fond diffus cosmologique par les ingénieurs Penzias et Wilson.

Fond diffus cosmologique

Aujourd’hui, il existe pléthore d’arguments plus ou moins compliqué solidifiant la théorie du Big Bang. Toutefois, deux d’entres eux sortent du lot par leur relative simplicité et leur quasi irrévocabilité : le décalage vers le rouge (par Hubble et Lemaître) et le fond diffus cosmologique (FDC) ou rayonnement fossile. Laissez-nous vous en dire plus sur ce FDC. Le fond diffus cosmologique est une sorte de « bruit » de fond présent dans toutes les directions du ciel, que ce soit entre les exoplanètes, les étoiles ou même entre les galaxies, il est observable partout ! Il constitue les restes du Big Bang. En effet, peu de temps après cet évènement toute la matière de l’univers était compressée en une zone très restreinte. Comme mentionné plus haut, la température était aussi extrêmement élevée, voilà qui représente un gros challenge étant donné qu’en de telles conditions, les lois habituelles de la physique ne sont plus du tout valables ! Vous avez déjà tous entendu parler des 3 états de la matière : solide, liquide et gazeux, et bien ici, nous sommes en présence d’un 4e état : le plasma ! Dans un tel état de la matière, il n’existe pas d’atome. La température (on peut parler d’excitation thermique) est telle que les électrons ne peuvent pas s’associer à un noyau atomique. Toutefois, au fur et à mesure de l’expansion de l’univers, la densité de matière se réduit et il en va de même pour la température. Envrion 400.000 ans après le Big Bang, des atomes se forment, principalement d’hydrogène, et émettent des rayonnements électromagnétiques à travers l’univers, voilà ce qu’on appelle le fond diffus cosmologique. Il faut néanmoins souligner que ces rayonnements, même si toujours existants, ne sont plus du tout les mêmes qu’il y a 13.7 milliards d’années. En effet, l’expansion de l’univers a entraîné l’allongement de leur longueur d’onde, et donc une modification de leur caractéristiques.

Mais, si il est réellement omniprésent ce fond diffus cosmologique, pourquoi avons nous du attendre les années 60 pour l’observer ? Eh bien vois-tu Jamy, c’est très simple !

Ce FDC n’est pas présent sous forme de son ou encore de lumière, mais bien d’onde électromagnétique de la gamme des micro-ondes ! Ce qui veut dire qu’il nous faut de antennes sensibles à ces fréquences pour pouvoir les détecter. Nous pouvons aussi souligner que la découverte du rayonnement fossile s’est faite purement par hasard ! En effet, Penzias et Wilson essayaient simplement de capter les transmissions radios émisent par des ballons sondes dans l’atmosphère terrestre. Toutefois, ils ont vite remarqués la présence d’un bruit de fond permanent avec leur antenne. Ils ont longtemps suspectés un défaut de fonctionnement de leur matériel, mais après avoir tout passé en revue, leur dernière carte a jouer était de suspecter le fond diffus cosmologique.

Corps noir

Pour comprendre un peu plus les liens entre le Big Bang et le FDC, laissez moi vous présenter le concept de rayonnement d’un corps noir. Même si cette appelation peut sembler mystique, elle désigne un concept très simple : un objet (corps) chaud émet des rayonnement. Les rayonnements émis dépendent de la chaleur du corps, c’est-à-dire qu’un corps se trouvant au 0 absolu (-273.15 °C) n’émetttrait, en théorie, aucune forme de rayonnement. Prenons quelques exemples, comme vous le savez tous, le Soleil est un corps très chaud (envrion 5000-6000° en surface), il est donc en mesure d’émettre du rayonnement UV pour vous faire bronzer à la plage. Si vous prenez les vieilles ampoules, leur filaments peut monter jusqu’à 3000°, suffisant pour émettre de la lumière visible (mais pas des UV) ou encore le corps humain, avec une température extérieure de 20-25°, peut émettre un rayonnement infra-rouge.

En somme, il est donc possible d’associer une température à un rayonnement émis par un corps. Et c’est justement ce que nous allons faire avec le FDC. Dans les années 40, Alpher, Herman et Garrow ont estimé une température d’environ 5 K (soit -268.15 °C). Ensuite, grâce aux relevés de Penzias et Wilson, une température de 2.725 K a été mise en évidence. Là, plus aucun doute possible, le fond diffus cosmologique a bien été découvert ! Il est utile de noter que même si le FDC est détectable dans toutes les directions du ciel, il n’est pas pour autant parfaitement homogène.