L'Univers observable

Le rayonnement fossile en 1992

Le rayonnement électromagnétique fossile ou Fond du ciel, est un rayonnement naturel de micro-ondes à basse température arrivant à la surface de la Terre depuis toutes les directions du cosmos. On l'appelle ainsi parce qu'il forme un arrière-plan à toutes les sources radio ponctuelles qui ont été détectées par les radiotélescopes. Il fut détecté pour la première fois par Arno Penzias et Robert W. Wilson, en 1965, aux Laboratoires de Bell Telephone, dans le New Jersey. La découverte du rayonnement fossile sans source spécifique est le résidu des conditions extrêmes qui prévalurent dans les premiers instants de l'univers. Cela a permis de conclure que l'Univers, il y a 13,8 milliards d'années, a été à une température d'au moins 3000°C. Ce rayonnement de fond du ciel est à 2,7 K c'est-à-dire -270° Celsius. Il n'a pas été émis à la naissance de l'Univers mais au moment où l'Univers passe d'un état opaque à un état transparent, c’est à dire lumineux. Avant on ne voit pas l'Univers, il est opaque mais il existe d'autres fossiles comme l'abondance relative de certains éléments (Hélium, Hydrogène, Lithium lourd).
Les physiciens sont arrivés à la conclusion que l'Univers a été à un moment donné à une température d'au moins 10 milliards de degrés.
Cette période se situe 1 million d'années avant le passage à l'état transparent qui lui correspond à une température de 3 000° Celsius. Si l'on remonte encore un peu dans le temps, l'Univers atteint des températures de l'ordre du trillion de degré.

Dans cet état il n'est pas composé de noyaux de neutrons et de protons, mais d'une soupe de quarks et de gluons. Les quarks s'attirent et se repoussent en échangeant des gluons comme les électrons dégagent des photons dans les champs électromagnétiques.
C’est seulement quand la température diminue que les quarks se combinent pour donner les neutrons, les protons et les mésons. Si l'on remonte encore plus loin, une centaine de seconde avant, on trouve encore des fossiles. Par exemple, le nombre de photons par rapport au nombre d'atomes, est de 3 milliards.

N. B. : Les trois unités de mesure utiles en astronomie pour exprimer les distances :
- une année-lumière (a.l.) Une année-lumière est une unité de distance utilisée en astronomie. Une année-lumière est égale à la distance que parcourt la lumière dans le vide en l'espace d'une année (31 557 600 secondes), soit environ 10 000 milliards de kilomètres. vaut 63 242,17881 au, soit exactement égale à 9 460 895 288 762 850 mètres.
- un parsec (pc Le parsec est la distance à laquelle une unité astronomique sous-tend un angle d'une seconde d'arc..) est égal à 206 270,6904 UA ou 3,2616 années-lumière soit 30 857 656 073 828 900 mètres.
- une unité astronomique (au (symbol : ua ou au) Créée en 1958, c’est l'unité de distance utilisée pour mesurer les distances des objets du système solaire, cette distance est égale à la distance de la Terre au Soleil. La valeur de l'unité astronomique représente exactement 149 597 870 700 m, lors de son assemblée générale tenue à Pékin, du 20 au 31 août 2012, l'Union astronomique internationale (UAI) a adopté une nouvelle définition de l'unité astronomique, unité de longueur utilisée par les astronomes du monde entier pour exprimer les dimensions du Système solaire et de l’Univers. On retiendra environ 150 millions de kilomètres. Une année-lumière vaut approximativement 63 242 ua. Mercure : 0,38 ua, Vénus : 0,72 ua, Terre : 1,00 ua, Mars : 1,52 ua, Ceinture d’astéroïdes : 2 à 3,5 ua, Jupiter : 5,21 ua, Saturne : 9,54 ua, Uranus : 19,18 ua, Neptune : 30,11 ua, Ceinture de Kuiper : 30 à 55 ua, Nuage d’Oort : 50 000 ua.) vaut depuis le 30 Aout 2012, exactement 149 597 870 700 mètres.

Tableau : équivalences entre les unités de distance.

Image : Le rayonnement du fond du ciel est un rayonnement naturel de micro-ondes fossile à 2.73 K.
Ces fluctuations de densité de l'ordre de 1/100 000ème témoignent qu'environ 380 000 ans après le Big Bang, il existait des zones hétérogènes dans l'univers d'une taille comprise entre 100 et 1000 Mpc (méga parsec).
Cette image a été réalisée par le satellite Cobe en 1992.

L'univers en vidéo

A quoi ressemblerait un voyage imaginaire à travers l'univers connu ?
Pour vous aider à visualiser ce voyage cosmique aller-retour, le Musée américain d'histoire naturelle a produit un film offrant les images virtuelles d'un tel voyage. La vidéo commence par une vue aérienne des montagnes de l'Himalaya. Elle fait un zoom spectaculaire, montrant successivement, les orbites des satellites artificiels de la Terre, la Lune, les orbites des planètes, les constellations, le Soleil, le système solaire, la sphère occupée par l'émission des premiers signaux radio de l'humanité, la Voie lactée, les galaxies proches, les galaxies lointaines et les quasars jusqu'à atteindre le rayonnement cosmique diffus émis par le Big Bang, cette lueur fossile de la toute première lumière de l’Univers transparent qui a été émise à la naissance de l'Univers moins d’un million d’années après le Big Bang. Nous captons encore aujourd'hui cette lumière, c'est le rayonnement cosmologique ou cosmic microwave background (CMB). La CMB est la «première lumière» de l'univers, publiée peu après le Big Bang, il y a environ 13,7 milliards d'années, lorsque la lumière a commencé à voyager librement pour la première fois. La gigantesque boule de feu qui suivit le Big Bang s'est lentement refroidie pour devenir une toile de fond de micro-ondes.
Pour réaliser ce film, les scientifiques ont utilisé les données du Digital Universe Atlas. Tous les objets céleste de cette vidéo sont représentés à l'échelle compte tenu des données connues en 2009 par la science.

N. B. : le modèle du Big Bang privilégie l'existence d'une phase d'inflation cosmique très brève mais durant laquelle l'univers aurait grandi de façon extrêmement rapide. C’est à partir de là que l'essentiel des particules matérielles de l'univers ont été créées, à haute température, déclenchant l'émission d'une grande quantité de lumière, appelé fond diffus cosmologique.
Ce rayonnement est aujourd'hui observé avec une grande précision par les sondes spatiales.

Image : Vidéo sur un voyage spatial, aller retour, entre la Terre et l'horizon cosmique de l'Univers connu.
The Known Universe - Credit & Copyright: American Museum of Natural History

L'Univers observable

L'âge de l'Univers a été précisé grâce aux observations de la sonde WMAP. Les paramètres cosmologiques indiquent une valeur probable pour l'âge de l'univers d'environ 13,7 milliards d'années avec une incertitude de 0,2 milliard d'années. Ceci est en accord avec les données issues de l'observation des amas globulaires et des naines blanches. L'univers observable contient environ 7×10²² étoiles, répandues dans environ 10¹¹ galaxies, elles-mêmes organisées en amas et superamas de galaxies. Le nombre de galaxies pourrait être encore plus grand.
Pourquoi les spécialistes de la cosmologie emploient souvent le terme d'univers observable ?
Parce que nous le voyons tel qu'il était il y a 13,8 milliards d'années mais depuis, l'univers a continué de grandir. Ainsi l'univers que nous voyons est une bulle de 13,8 milliards d'années de rayon, ce qui explique que nous vivons au centre de l'univers observable, en contradiction apparente avec le principe de Copernic qui dit que l'univers est plus ou moins uniforme et ne possède aucun centre en particulier.

Comme la lumière ne se déplace pas à une vitesse infinie, les observations que nous faisons proviennent donc du passé. En regardant de plus en plus loin, nous voyons les objets tel qu'ils étaient dans le passé, à une époque de plus en plus proche du Big Bang. Puisque la lumière se déplace à la même vitesse dans toutes les directions, tous les observateurs de l'univers vivent au centre de leur univers observable. L'Univers contient par définition tout ce qui existe, y compris l'espace-temps, il n'a donc pas de « bord ».
En effet, l'existence d'un bord impliquerait qu'au-delà de ce bord, on ne serait plus dans l'Univers, cette notion n'est donc pas intuitive.

Image : Vue de l'Univers en lumière infrarouge. Cette image révèle 1,6 millions de galaxies parmi les dizaines de millions de sa structure locale. (source Center/Caltech et l'université de Massachussetts).

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ou WMAP en 2003

La sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a été lancée le 30 juin 2001. Elle est destinée à l'étude de l'anisotropie c'est-à-dire selon la direction, du fond diffus cosmologique.
WMAP a été baptisée ainsi en hommage à l'astronome américain David Wilkinson, membre de l'équipe en charge du satellite, pionnier de l'étude du fond diffus cosmologique, décédé le 5 septembre 2002.
L'objet de la mission est de cartographier avec la meilleure précision possible les fluctuations de température du rayonnement thermique cosmologique, ainsi que sa polarisation afin de permettre de reconstituer le contenu matériel de l'univers.
Les premiers résultats de la sonde WMAP ont été salués à juste titre comme une grande avancée dans la compréhension de l'univers car WMAP a réalisé la première carte complète du fond diffus cosmologique depuis celle du satellite COBE en 1992, et ce avec une résolution considérablement meilleure.
Depuis 2013 nous savons avec la mission Planck, que le cosmos est âgé de 13,8 milliards d'années.
Les premières générations d'étoiles ont commencé à s'y allumer 200 millions d'années après le Big Bang.

L'image a été publiée le 11 février 2003. Cette image représente une cartographie de l'Univers dans l'état où il se trouvait à sa création, à l'âge de 380 000 ans alors qu'il devenait transparent.
Ce murmure radio capturé dans le rayonnement à 3K ou -270°C nous montre les fluctuations résiduelles de notre univers et en filigrane, les grumeaux de matière qui ont donné naissance aux galaxies.
La sonde Planck lancée en mai 2009 a pris la suite pour expliquer l'histoire de l'Univers.
Son objectif est aussi d'observer le fond diffus cosmologique, le rayonnement émis 380 000 ans après la naissance de l'Univers, qui explique que la température actuelle de l'Univers est de 2,7 K.
« En observant ce signal, nous pouvons remonter le temps et voir l'Univers tel qu'il était il y a des milliards d'années en arrière », explique Dominique Yvon, astrophysicien au CEA.

Image : Les analyses du ciel avec WMAP indiquent que l'Univers est vieux de 13,7 milliards d'années (avec une précision de 1%), il est composé de 73 % d'énergie sombre, 23 % de matière sombre froide, et de seulement 4 % d'atomes. Il est actuellement en expansion au taux de ≈71 km/s/Mpc (avec une précision de 5 %). Il est passé par des épisodes d'expansions rapides, appelées inflations et grandira pour toujours. Crédit : WMAP, NASA.

Observatoire Planck en 2011

L'observatoire spatial Planck de l'ESA capture le rayonnement cosmologique ou cosmic microwave background (CMB). La CMB est la «première lumière» de l'univers, publiée peu après le Big Bang, il y a environ 13,8 milliards d'années, lorsque la lumière a commencé à voyager librement pour la première fois. La gigantesque boule de feu qui suivit le Big Bang s'est lentement refroidie pour devenir une toile de fond de micro-ondes. Planck observe et mesure les variations de température à travers cette toile de fond à micro-ondes, avec une sensibilité beaucoup plus élevée, une meilleure résolution angulaire et une gamme plus étendue de fréquences, que tous les observatoires précédents. La mission Planck va donc nous montrer à quoi ressemble l'Univers à travers sa première lumière émise lorsque celui-ci n’avait que 380 000 ans. Le 3 juillet 2009, Planck a atteint le point de Lagrange L2 et a été placé suivant une trajectoire appelée orbite de Lissajous.

Planck mesure avec une très grande précision le rayonnement cosmique fossile ou fond diffus cosmologique (trace du Big Bang) afin d'établir une cartographie des inhomogénéités de température et de polarisation de ce rayonnement.
Pour cela il embarque un télescope de 1,5 m de diamètre et 2 instruments scientifiques : LFI développé par l’Italie et HFI confié à la France.
Les premières images très prometteuses, sont arrivées le 14 juin 2009. C'est la célèbre image de la galaxie spirale du Tourbillon, M51, que les responsables de l'instrument Photoconductor Array Camera and Spectrometer ont reçue, pour une première analyse.
La première édition du catalogue de sources compactes (ERCSC, Early Release Compact Sources Catalogue) a été publiée et présentée le 11 janvier 2011, avec plusieurs milliers de sources détectées par Planck.

Image : Les premiers résultats de Planck ont été dévoilés lors d'une conférence internationale qui s'est déroulée à Paris, en janvier 2011. Image du bruit de fond cosmique dans l'infrarouge. Crédit : Planck Collaboration

L'univers de Planck en 2013

Voici le meilleur plan jamais représenté de l'Univers observable (mars 2013). Cette carte montre le plus vieux phare cosmique rayonnant de notre univers. C'est grâce à la mission Planck que cette trace des premiers objets cosmiques, a été détectée avec autant de précision.
La lumière antique, appelée, fond diffus cosmologique, a été imprimée sur cette carte quand l'Univers était âgé 380 000 ans seulement. L'image affiche les minuscules fluctuations de température qui correspondent à des régions de densités légèrement différentes, représentant chacune, les graines de toute la structure du futur Univers, c'est-à-dire, les étoiles et les galaxies d'aujourd'hui.
En analysant les motifs de lumière sur cette carte, les scientifiques ont peaufiné ce que nous savons de l'univers, y compris ses origines, le devenir et les composants de base. Les scientifiques ont nettoyée cette représentation, de toute la lumière émise par les galaxies environnantes, ainsi que par notre propre Voie lactée. Planck a permis de fixer un âge exact à notre Univers, 13,77 milliards d’années, un peu plus vieux que calculé précédemment (13,75 milliards d’années).

En 2013, les astrophysiciens européens, canadiens et américains ont affiné la composition de l'Univers à partir des données recueillies par le satellite Planck.
L'Univers contient depuis de 4,8% de matière ordinaire (contre 4.3 % auparavant), 25,8% de matière noire (contre 23 %) et de 69,4 % d’énergie noire (contre 72.8 %).
Les gigantesques données recueillies par Planck vont occuper les chercheurs pendant des années et certainement qu'elles vont nous dévoiler d'autres secrets sur la création de la matière.
Planck est une mission de l'Agence spatiale européenne, avec une participation importante de la NASA. NASA's Planck Project Office est basé à la NASA Jet Propulsion à Pasadena en Californie. JPL a contribué à la mission pour les deux instruments scientifiques de Planck.

Image : Les premières lueurs de l'univers observable vues par la mission Planck (mars 2013). Cette image représente les traces des premiers instants de la création environ 380 000 ans après le Big Bang. Les astrophysiciens européens, canadiens et américains de Planck ont travaillé ensemble pour analyser les données du télescope.
Crédit : ESA et Planck collaboration.