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Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.
Il est considéré comme étant un relicat de l'époque dense et chaude qu'a connu l'univers il y a environ 13 milliards d'années, conformément aux prédictions des modèles de Big Bang (voir ci-dessous).
Image:WMAP.jpg carte de la sphère céleste montrant les fluctuations (ou anisotropie) du
fond diffus cosmologique observées par le satellite WMAP (juin 2003) Ce faible rayonnement est aussi connu sous le nom de rayonnement fossile, parfois
employé dans la presse scientifique, mais cette appellation tend à tomber en désuétude. À noter qu'aucun de ces deux noms ne correspond exactement à sa traduction anglaise de Cosmic Microwave Background Radiation ou désormais Cosmic Microwave Background (litt. «(rayonnement) de fond cosmique micro-onde»).
[] Découverte
En 1964, les radio-astronomes Penzias et Wilson, des laboratoires de la compagnie Bell Telephone, disposent d'une antenne qui servait initialement à la communication avec les satelites ECHO puis Telstar. Ils souhaitaient transformer cette antenne en radio-téléscope pour mesurer le rayonnement dans le domaine radio de la voie Lactée. Pour ce faire, ils avaient besoin de calibrer correctement l'antenne, et en particulier de connaître le bruit de fond généré par celle-ci ainsi que par l'atmosphère terrestre. Ils découvrent ainsi accidentellement un bruit supplémentaire d'origine inconnue au cours d'observations faites sur la longueur d'onde 7,35 cm. Ce bruit, converti en température d'antenne correspondait à une température du ciel de 3 K, ne présentait pas de variations saisonnières, et ses éventuelles fluctuations en fonction de la direction ne dépassaient pas 10 %. Il ne pouvait donc s'agir du signal émis par la Voie Lactée qu'ils cherchaient à découvrir.
Penzias et Wilson ne connaissaient pas les travaux des cosmologistes de leur époque, et c'est fortuitement qu'ils les découvrent. Penzias mentionne fortuitement sa découverte au radio-astronome Bernie Burke, qui lui dit savoir de Ken Turner que John Peebles a prédit l'existence d'un rayonnement de quelques kelvins, et qu'une équipe composée de Dicke, Roll et Wilkinson de l'université de Princeton est en train de construire une antenne pour le détecter. Penzias prend alors contact avec Dicke pour lui faire part de ses résultats. Ils décident alors de publier conjointement deux articles, l'un signé de Penzias et Wilson décrivant la découverte du fond diffus cosmologique, l'autre signé par Peebles et l'équipe de Dicke en décrivant les conséquences cosmologiques. L'histoire raconte que lorsque Dicke apprit la découverte de Penzias, il dit à ses collaborateurs une phrase restée célèbre : Well boys, we have been scooped (litt. « Les gars, nous nous sommes fait devancer » ). L'on ne sait pas bien si ces derniers auraient pu effectivement détecter ce rayonnement avec les moyens dont ils disposaient mais cela semble probable. Ils ont en tout cas détecté le fond diffus cosmologique à la longueur d'onde de 3 cm dans le courant de l'année 1965.
Penzias et Wilson recevront chacun 1/4 du prix Nobel de physique 1978 pour leur découverte.
Il a parfois été dit que les publications conjointes de Penzias et Wilson et de l'équipe de Dicke résultait d'une tentative de ces derniers d'acquérir le bénéfice de la découverte et obtenir le Prix Nobel. Cela semble peu probable, Penzias et Wilson ayant déclaré par la suite qu'ils préféraient publier leur mesure à part, au motif « que leur mesure était exacte, alors que l'interprétation de Peebles n'était qu'une interprétation qui pourrait s'avérer fausse.» En fait, Wilson était même à l'époque partisan de la théorie de l'état stationnaire, il était donc sans doute réticent
C'est à George Gamow que l'on attribue la prédiction du fond diffus cosmologique. Gamow a effectivement prédit l'existence d'un rayonnement issu du Big Bang, mais n'en avait pas prédit le spectre de corps noir. C'est A. G. Dorochkevitch et I. D. Novikov qui en 1964 sont les premiers à prédire que le spectre du rayonnement doive être celui d'un corps noir et donc situé dans le domaine micro-onde. En fait, ces auteurs vont même jusqu'à citer l'antenne des laboratoires Bell comme le meilleur outil pour détecter ce rayonnement ! En 1961, E. A. Ohm avait rédigé un rapport interne décrivant les performance de cette antenne. Mais se basant sur ce rapport, Dorochkevitch et Novikov concluent que ce rayonnement n'a pas été observé. Il s'agissait cependant d'une erreur d'interprêtation de leur part : le rapport de Ohm mentionnait une quantité <math>T_{\rm sky}</math>, mesurée à 2,3 K, représentant la contribution de l'atmosphère terrestre. Dorochkevitch et Novikov semblent avoir interprêté cette quantité comme la somme de la contribution atmosphérique et du fond du ciel. Le chiffre de 2,3 K correspondant effectivement bien à la contribution atmosphérique telle qu'elle était estimée à l'époque, Dorochkevitch et Novikov ont alors conclu que la contribution du fond ciel devait être limité à une fraction de 2,3 K, en désaccord avec les prédictions de Gamow.
Sources :
[] Caractéristiques
[] Spectre
Le fond diffus cosmologique apparaît comme un corps noir parfait dans la limite de la précision des instruments de mesure. Sa température a été mesurée fin 1989 par le satellite COBE à 2,728±0,002 K, l'incertitude venant de la difficulté de calibrer précisément un corps noir de référence embarqué sur le satellite. Le maximum d'énergie est rayonné à une fréquence proche de 160 GHz (longueur d'onde légèrement inférieure à 2 mm, domaine des micro-ondes).
[] Dipôle
Du fait du déplacement de la Terre dans le Système Solaire et plus généralement du déplacement de ce dernier par rapport à la surface d'émission du fond diffus cosmologique, la température du fond diffus cosmologique présente une variation en fonction de la direction, conséquence d'un simple effet Doppler. Si l'on enlève la contribution due au mouvement de la Terre autour du Soleil, alors l'amplitude du dipôle observé est de 3,358±0,001 mK, correspondant à une vitesse du Soleil de 369 km/s de celui-ci par rapport à la zone d'émission du rayonnement. La direction de ce dipôle est, en coordonnées galactiques, l=264,31°±0,20°, b=48,05°±0,11°, soit 11h 11min 57s±23s et -7,22°±0,08° en terme d'ascension droite et de [[déclinaison (astronomie)|]. Cette direction est quasiment opposée à celle de l'apex solaire, c'est-à-dire à l'opposé de la direction vers laquelle se déplace le Soleil au sein de la Voie Lactée. En tenant compte du déplacement du Soleil au sein de la Voie Lactée, on calcule le dipôle du fond diffus cosmologique par rapport à la Voie Lactée. Sa direction est peu modifiée, l=276°±3°, b=30°±2° mais son amplitude augmente significativement du fait de la vitesse du Soleil par rapport au centre galactique, pour atteindre 5,70 mK, correspondant à une vitesse de 627 km/s.
Cet ordre de grandeur de vitesse est typique de la dispersion de vitesse que l'on observe dans les amas de galaxies, ce qui renforce l'interprétation du dipôle comme étant du à un effet cinématique local. Il reste cependant difficile d'en être certain car la zone du dipôle est très proche du plan galactique et de ce fait il est difficile d'y cartographier toutes les concentratins de masses qui expliquerait pourquoi la Voie Lactée se dirige dans cette direction. Cette direction reste relativement proche (45°) du Grand Attracteur et également proche de plusieurs autres concentrations de matière proche du Groupe Local (moins de 30 Mpc), en particulier les amas de l'Hydre et de la Machine Pneumatique.
[] Écart au corps noir
Une question cruciale est de savoir (voir ci-dessous) si ce rayonnement est un rayonnement de corps noir ou pas. Dans l'univers primordial, les interactions entre matière baryonique et photons ont permis à ces dernier d'être thermalisés, c'est-à-dire à acquérir un spectre de corps noir. Cependant, à mesure que l'univers se dilate et se refroidit, les interactions entre matière et photons diminuent et l'équilibre thermique n'est plus assuré. Les photons peuvent donc conserver un spectre de corps noir, mais celui-ci peut être détruit en cas de phénomène qui produirait de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique (du fait de la désintégration de particules instables, par exemple. La présence ou non de distortions au corps noir dans le fond diffus cosmologique permet donc de contraindre tous les phénomènes injectant de l'énergie sous forme de rayonnement.
- Une injection d'énergie à une époque tardive (z ? 105) se traduit par un dépeuplement des basses fréquences au profit des hautes fequences (effet Compton y).
- Une injection d'énergie à des époques plus anciennes (105 ? z ? 107) se traduit par une transformation d'un spectre de corps noir en spectre de Bose-Einstein), c'est-à-dire un potentiel chimique non nul pour les photons.
- Des interaction entre le rayonnement et la matière chaude integalactique à des époques beaucoup plus récentes (z ? 103) peut également déformer le spectre (distortion free-free).
Aucune de ces distortions n'a pour l'heure été détectée, avec des limites supérieures très contraignantes sur la plupart d'entre elles.
[] Autres anisotropies
Image:BigBangNoise.jpg Améliorations successives des observations des anisotropies (ou fluctuations) du fond diffus cosmologique
Les modèles cosmologiques sont basés sur l'idée que l'univers était par le passé extrêmement homogène et que les structures que l'on observe peu à peu (galaxies, amas, superamas) se sont peu à peu formés par mécanisme d'instabilité gravitationnelle (ou instabilité de Jeans). Pour que ce mécanisme opère, il faut cependant qu'il y ait de petites fluctuations de densité dans l'univers primordial. On prédit donc que ces fluctuations de densité se retrouvent sous la forme de fluctuation de température dans le fond diffus cosmologique. Inversement, la détection et la compréhension fine de ces fluctuations nous renseigne sur l'état de l'univers au moment où il a émis ce rayonnement, ainsi que sur divers processus s'étant déroulés avant et après cette époque. L'étude de ces fluctuation représente à l'heure actuelle (2006) le principal outil pour la cosmologie.
Les fluctuations du fond diffus cosmologiques ont été détectées pour la première fois par le satellite de la NASA COBE en 1992. Un grand nombre d'expériences au sol, dans des ballons stratosphériques ont été effectuées depuis dans le but d'améliorer la qualité des observations. Les expériences les plus marquantes on été BOOMERANG et Archeops. En 2001, la NASA a lancé un second satellite, WMAP qui a considérablement amélioré la qualité des observations. Fin 2007 ou début 2008, l'Agence spatiale européenne lancera le satellite Planck Surveyor, en vue d'améliorer encore les données.
[] Fond diffus cosmologique et Big Bang
[] Fluctuations du fond diffus cosmologique
[] Voir aussi
[] Liens externes
[] Missions
[] Résultats
[] Aspects cosmologiques
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La source est wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/fond diffus cosmologique
