Le rayonnement cosmique et le modèle cosmologique standard

Dans les années 1940

Un astrophysicien d’origine ukrainienne nommé George Gamow, admirateur de la théorie de Georges Lemaître, s’est attaqué au problème de l’origine de l’Univers. Il est parti des atomes, comme l’avait fait Fred Hoyle, en émettant l’hypothèse que l’hydrogène, l’hélium et tous les autres éléments se sont formés dans les 20 premières minutes, immédiatement après le Big Bang, lorsque les températures étaient supérieures de plusieurs milliers de degrés à celles présentes dans les noyaux des étoiles les plus chaudes.

Gamow était cependant un homme plein d’idées brillantes plutôt qu’un bon mathématicien. En fait, c’est l’un de ses étudiants, Ralph Alpher, qui a repris les idées de son professeur et les a formulées en lois mathématiques pour décrire l’état physique initial de l’Univers. Alpher est arrivé à la conclusion que si l’Univers primitif avait été suffisamment chaud pour synthétiser les éléments, les pourcentages d’abondance de l’hydrogène et de l’hélium auraient été au moins dix fois plus élevés, comme cela a été observé.

Dans les années 1948

Alpher et son collègue Robert Herman ont affiné le modèle de Lemaître pour y inclure la possibilité de mesurer cette “chaleur résiduelle initiale”, un élément de preuve fort en faveur du modèle du Big Bang. En d’autres termes, Gamow et ses étudiants ont soutenu l’hypothèse selon laquelle si la phase initiale de la naissance de l’Univers était incroyablement chaude, alors l’écho” de la grande “explosion initiale”, observable comme un résidu sous la forme du rayonnement de fond cosmique produit par le “bang”, serait mesurable aujourd’hui à des valeurs de température plus basses.

Malheureusement, en 1949, la technologie n’était pas encore disponible pour construire un instrument permettant de mesurer la température du rayonnement fossile. Cependant, ils ont calculé théoriquement les premières estimations de la température du rayonnement fossile en obtenant une valeur d’environ 5 degrés Kelvin, même si quelques années plus tard ils ont obtenu une valeur plus élevée, autour de 28 degrés Kelvin, probablement le résultat d’une surestimation due à l’incertitude avec laquelle la constante de Hubble était déterminée à l’époque.

Bien que diverses estimations de la température de l’espace aient été obtenues, elles comportaient presque toutes des incertitudes. En fait, il s’agissait de mesures de la température réelle de l’espace et cela n’impliquait pas que l’Univers était rempli d’un spectre thermique de corps noir [28]. De plus, ces estimations dépendaient de votre position dans la Voie lactée et ne tenaient donc pas compte de l’isotropie du rayonnement lui-même.

Mais au début des années 1960, les prédictions d’Alpher et d’Herman ont été redécouvertes par Yakov Zel’dovich et, indépendamment, par Robert Dicke, tandis que la première publication sur le rayonnement de fond cosmique, en tant que phénomène physique mesurable, remonte à 1964 et est due à deux astrophysiciens soviétiques nommés A.G.

Doroshkevich et Igor Novikov.

Ainsi, d’une part, Gamow et ses étudiants disposaient de la théorie, des lois mathématiques, mais ils n’avaient pas les bons outils pour réaliser les expériences. D’autre part, un groupe de physiciens de Princeton, dirigé par Robert Dicke et comprenant David Wilkinson, était au courant des travaux de Gamow et disposait à la place d’un appareil rudimentaire, mais pas très sensible, pour réaliser les mesures.

Le rayonnement fossile prévu par le modèle de Lemaître

L’écho de la grande explosion initiale due au Big Bang et qui avait donné naissance à l’Univers, devait exister et être mesuré. Dicke, partisan de la théorie de Lemaître, persuade ses collègues de construire un radiomètre [29] afin de mesurer la température de l’espace. Entre-temps, la nouvelle de cette expérience a circulé parmi les scientifiques et même les ingénieurs américains Arno Penzias et Robert Wilson en avaient entendu parler.

À cette époque, Penzias et Wilson, deux ingénieurs de la compagnie de téléphone “Bell Laboratories”, étaient occupés à perfectionner le système de communication par satellite dans le New Jersey. En utilisant une antenne à cornet, c’est-à-dire une sorte de récepteur de signaux radio basé sur le principe du radiomètre de Dicke[29], ils ont remarqué la présence d’un “bruit constant” similaire à celui d’un canal non émetteur.

En d’autres termes, les deux ingénieurs avaient trouvé quelque chose d’anormal, c’est-à-dire la présence d’une perturbation radioélectrique qui ne devrait pas être là. Ils ont donc mesuré un signal persistant d’une longueur d’onde de 7,35 centimètres qui provenait de l’extérieur de la Voie lactée et qui correspondait à une température d’antenne excédentaire [30] d’environ 3,5 degrés Kelvin. La question était donc de savoir quelle était cette perturbation et, surtout, d’où elle venait. Était-ce, peut-être, un signal terrestre provenant de la ville voisine de New York, ou un signal provenant d’un avion, ou encore un signal dû à des fientes d’oiseaux déposées à l’intérieur de l’antenne ?

En fait, Penzias et Wilson ont remarqué que le bruit mystérieux provenait de toutes les directions du ciel – il était partout. Après avoir reçu un appel téléphonique des deux ingénieurs, Dicke s’est exclamé : “Les gars, vous avez trouvé la solution.

En bref, Penzias et Wilson avaient trouvé ce que Dicke et ses collaborateurs cherchaient, ce que Lemaître d’abord et Gamow et ses étudiants ensuite avaient prévu, à savoir la preuve expérimentale qui éliminait définitivement l’idée d’un Univers éternel. En 1965, tant Penzias et Wilson que le groupe de Dicke ont publié leurs résultats séparément dans l’Astrophyisical Journal, détruisant ainsi à jamais le modèle cosmologique de l’état stationnaire.

Cependant, l’interprétation du rayonnement de fond cosmique a donné lieu à un débat controversé, car certains partisans du modèle de l’état stationnaire étaient convaincus que ce qui était mesuré était le résultat du rayonnement diffusé par les galaxies lointaines. Se basant sur le modèle de l’état stationnaire et sur l’analyse des raies d’absorption présentes dans les spectres stellaires, Andrew McKella avait déjà soutenu en 1941 que la température de rotation [31] de l’espace interstellaire devait être d’environ 2 degrés Kelvin.

Dans les années 70

Le consensus s’est renforcé sur le fait que le rayonnement de fond cosmique était en fait l’écho du Big Bang, grâce à une série de mesures effectuées sur une large gamme de fréquences qui ont montré que le spectre était en fait un spectre thermique, c’est-à-dire un spectre de corps noir, et que le modèle de l’état stationnaire n’était pas en mesure d’expliquer.

Ainsi, la présence du rayonnement de fond cosmologique dans l’espace a rendu justice au modèle du Big Bang, grâce auquel vous êtes désormais en mesure de décrire les premiers instants de vie de l’Univers et d’esquisser son évolution ultérieure, c’est-à-dire la façon dont il s’est étendu et refroidi au fil du temps pour donner lieu à la formation des premières structures cosmiques. En 1978, Penzias et Wilson ont reçu le prix Nobel de physique grâce à leur contribution à la découverte du rayonnement fossile, qui est aujourd’hui l’un des piliers fondamentaux du modèle cosmologique standard.