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fond du ciel, rayonnement de - astronomie.

Publié le 24/04/2013

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fond du ciel, rayonnement de - astronomie. 1 PRÉSENTATION fond du ciel, rayonnement de, rayonnement électromagnétique isotrope -- c'est-à-dire possédant les mêmes propriétés dans toutes les directions d'observation -- arrivant à la surface de la Terre depuis toutes les directions de l'Univers. Le rayonnement de fond du ciel désigne généralement le rayonnement de micro-ondes à basse température (environ 2,73 K) -- également appelé fond diffus cosmologique, rayonnement à 3 K ou encore rayonnement fossile micro-onde (cosmic microwave background en anglais) --, trace fossile du découplage entre la matière et le rayonnement aux premiers âges de l'Univers (voir origine de l'Univers). De fait, le fond diffus cosmologique constitue la plus importante contribution au rayonnement de fond de l'Univers. Toutefois, une autre composante contribue de manière non négligeable au rayonnement de fond de l'Univers : il s'agit du fond extragalactique. 2 DÉCOUVERTE DU FOND DIFFUS COSMOLOGIQUE Le fond diffus cosmologique, situé dans le domaine des ondes radio, est découvert par hasard en 1965 par deux chercheurs américains des laboratoires Bell (AT&T), Arno Penzias et Robert Wilson, qui travaillent sur une antenne radio très sensible dédiée à l'écoute des satellites artificiels. Malgré leurs efforts, les deux chercheurs ne parviennent pas à se débarrasser d'un bruit de fond important présent quelle que soit l'orientation de leur antenne dans le ciel. Avec l'aide de collègues physiciens, notamment l'équipe dirigée par Robert Dicke, ce bruit de fond est finalement identifié à un signal cosmologique : le fameux rayonnement de fond du ciel prévu par la théorie du big bang. Cette découverte leur vaut le prix Nobel de physique en 1978. 3 UN PILIER DE LA THÉORIE DU BIG BANG L'existence d'un rayonnement fossile avait en effet été prédite par George Gamow en 1948 dans le cadre de la théorie du big bang sur l'évolution de l'Univers (cosmologie). Selon cette théorie, l'Univers était, à son début, beaucoup plus dense et chaud qu'aujourd'hui. Après l'explosion originelle, l'Univers entre en expansion (voir inflation) et sa température s'abaisse. Tant que la température reste supérieure à environ 3 000 K (degrés Kelvin), les électrons libres empêchent la lumière de passer : dans ces premiers moments, l'Univers est opaque et se comporte comme un corps noir en équilibre thermodynamique. Environ 300 000 ans après l'explosion initiale, les électrons sont capturés par les noyaux pour former des atomes : la lumière peut s'échapper et l'Univers s'illumine. Cette lumière est émise en tout point de l'espace et dans toutes les directions, avec une distribution d'énergie caractérisée par la température du gaz au moment du découplage. Aujourd'hui, on observe les restes de cette explosion lumineuse émise il y a une douzaine de milliards d'années, transformée par l'expansion de l'Univers. En effet, au fur et à mesure de la dilatation de l'Univers, la longueur d'onde de ce rayonnement s'étire en même temps que sa température s'abaisse. Lorsqu'elle nous parvient enfin, la lumière émise dans le domaine optique (détectable par notre oeil) s'est transformée en rayonnement situé dans le domaine des micro-ondes ou ondes radio. Sa température est passée de 3 000 K à 2,73 K (environ - 270 °C) aujourd'hui. On parle ainsi du rayonnement de corps noir à 3 K. En outre, toujours selon la théorie du big bang, le fond diffus cosmologique devrait présenter une polarisation. En effet, avant le découplage matière-rayonnement, les photons ont dû subir une polarisation engendrée par leur interaction avec les électrons. La mise en évidence de la polarisation du rayonnement fossile, réalisée en 2002 par une équipe d'astrophysiciens dirigée par John Carlstrom de l'université de Chicago, à l'aide du radiotélescope DASI (Degree Angular Scale Interferometer), est une nouvelle confirmation de la théorie du big bang. 4 UN CORPS NOIR PRESQUE PARFAIT Le rayonnement de fond diffus cosmologique suit une loi de corps noir avec une précision presque parfaite. En 1992, les données du satellite américain COBE (COsmic Background Explorer) montrent que les fluctuations de température du rayonnement cosmologique sur l'ensemble du ciel sont minimes (de l'ordre de 10-5). Cette uniformité pose un problème théorique encore non entièrement résolu : comment deux régions de l'Univers trop éloignées pour communiquer entre elles peuvent-elles aussi bien synchroniser leurs propriétés ? Bien qu'extrêmement faibles, ces fluctuations sont réelles : elles sont le reflet des perturbations (ou inhomogénéités) initiales de l'Univers lorsqu'il était âgé de 300 000 ans, perturbations qui sont très certainement à l'origine de la formation des grandes structures telles que les galaxies. De nombreuses expériences sont en cours de réalisation ou de développement pour une étude plus précise de ces fluctuations. Leur taille notamment est un paramètre important pour les modèles de formation des grandes structures. Parmi les premières observations des fluctuations du fond diffus cosmologique, celle réalisée en 1998 audessus de l'Antarctique, à l'aide de l'immense ballon stratosphérique Boomerang, a permis de cartographier le rayonnement cosmologique sur 3 p. 100 du ciel avec une précision spatiale 50 fois meilleure que COBE. En 2001, une autre expérience menée à l'aide du ballon stratosphérique Archeops a permis une plus grande couverture du ciel (environ 25 p. 100). Par ailleurs, plusieurs satellites contribuent à l'étude des fluctuations du fond diffus cosmologique, en particulier le satellite MAP (Microwave Anisotropy Probe) de la NASA -- rebaptisé WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) en hommage au cosmologiste de renommée internationale David Wilkinson, décédé en 2002 --, lancé en juin 2001 ; il sera épaulé par le satellite Planck-Surveyor de l'Agence spatiale européenne (ESA) -- dont le lancement est prévu en 2007. Ces deux satellites devraient permettre d'observer l'ensemble du ciel avec une sensibilité 10 fois supérieure à celle de COBE. Leur mission principale consiste à affiner la précision des paramètres cosmologiques fondamentaux (constante de Hubble, densité de l'Univers) et à obtenir une cartographie précise des fluctuations de densité primordiales de l'Univers. 5 LE RAYONNEMENT DE FOND EXTRAGALACTIQUE Outre le rayonnement à 3 K, on observe également dans l'Univers un rayonnement de fond isotrope qui s'étend du domaine submillimétrique aux rayons X : le rayonnement de fond extragalactique. Celui-ci a pour origine l'émission de toutes les galaxies lointaines (résolues ou non). Une grande partie de l'énergie du fond extragalactique est émise dans le domaine infrarouge, d'où l'autre nom utilisé de fond extragalactique infrarouge (en anglais, cosmic infrared background). Prédit à la fin des années 1960 par les théoriciens R. B. Partridge et P. J. E. Peebles, et découvert au milieu des années 1990 par les astrophysiciens François-Xavier Désert et Jean-Loup Puget dans les données du satellite COBE, ce rayonnement est d'une importance cosmologique capitale car il garde la trace de toute l'histoire de l'évolution des galaxies. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

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