Fond diffus cosmologique : L’écho thermique du Big Bang

Le rayonnement fossile du Big Bang

Le fond diffus cosmologique (CMB) est le rayonnement électromagnétique résiduel émis environ 380 000 ans après le Big Bang. À cette époque, l’Univers s’est suffisamment refroidi pour permettre la formation des premiers atomes d’hydrogène, rendant le cosmos transparent à la lumière. Ce rayonnement, qui baignait alors tout l’espace, a été étiré par l’expansion de l’Univers jusqu’à des longueurs d’onde centimétriques correspondant aujourd’hui à une température moyenne de \(2{,}725\ \text{K}\).

Un corps noir quasi parfait

Les mesures du satellite COBE (1989), puis de WMAP (2001-2010) et Planck (2009-2013), ont montré que le spectre du CMB suit remarquablement bien la loi du rayonnement de corps noir.

Cette distribution spectrale indique que le fond diffus cosmologique est un rayonnement thermique à l’équilibre, émis par un plasma de photons, d’électrons et de protons autrefois en interaction constante.

N.B. :
Un corps noir est un système physique parfait qui absorbe intégralement toute l’énergie incidente et réémet un rayonnement dépendant uniquement de sa température. Son spectre est décrit par la loi de Planck, qui relie la densité d’énergie spectrale à la fréquence \(\nu\) et à la température \(T\) selon : \(\displaystyle B(\nu, T) = \frac{2h\nu^3}{c^2}\frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1}\). Le fond diffus cosmologique est le meilleur exemple naturel connu de rayonnement de corps noir, avec une déviation inférieure à \(10^{-5}\) par rapport à la théorie.

Les anisotropies : empreintes des premières fluctuations

Malgré son homogénéité remarquable, le CMB présente de faibles anisotropies (fluctuations de température de l’ordre de \(10^{-5}\)). Ces inhomogénéités sont les empreintes des fluctuations quantiques primordiales amplifiées par l’expansion cosmique. Elles ont servi de graines à la formation ultérieure des structures à grande échelle de l’Univers.

Les missions WMAP et Planck ont permis de cartographier ces anisotropies avec une précision inégalée, fournissant des contraintes essentielles sur les paramètres cosmologiques tels que la constante de Hubble \(H_0\), la densité de matière \(\Omega_m\) et la densité d’énergie noire \(\Omega_\Lambda\).

Polarisation et mémoire de l’Univers primordial

La polarisation du fond diffus cosmologique fournit des informations supplémentaires sur les processus physiques ayant eu lieu avant la recombinaison. En particulier, la détection d’un mode de polarisation de type B pourrait révéler la présence d’ondes gravitationnelles primordiales, prédites par la théorie de l’inflation cosmique formulée par Alan Guth (né en 1947).

Ces ondes gravitationnelles auraient laissé une signature subtile dans la texture du rayonnement fossile, offrant un test indirect des premières \(10^{-35}\ \text{s}\) de l’histoire cosmique.

Une fenêtre sur la physique fondamentale

Le fond diffus cosmologique n’est pas seulement un vestige du passé ; il est aussi une fenêtre sur la physique fondamentale. Les moindres écarts mesurés dans son spectre et sa polarisation testent les modèles d’Univers FLRW et les prédictions de la relativité générale de Albert Einstein (1879-1955).

L’analyse du CMB a permis de confirmer que notre Univers est spatialement plat à mieux que 0,4 %, et que la matière visible ne constitue qu’environ 5 % du contenu énergétique total, le reste étant partagé entre matière noire et énergie noire.

N.B. :
Le fond diffus cosmologique n’est pas observable dans le domaine visible car son rayonnement, initialement dans l’infrarouge, a été étiré par le facteur d’expansion \((1 + z) \approx 1100\), plaçant aujourd’hui son maximum spectral à environ \(160\ \text{GHz}\).

Source : WMAP Science Team, ESA Planck Legacy Archive.