Découplage photon-matière

Le découplage photon-matière désigne l’époque où les photons ont pu voyager sur de grandes distances sans être continuellement diffusés par les électrons libres. Vers 380 000 ans après le Big Bang, la formation d’atomes neutres a fortement réduit le nombre de ces électrons. Cette recombinaison favorise le découplage, mais les deux mots ne désignent pas exactement le même processus.

L’univers opaque

Avant cette époque, la matière ordinaire était largement ionisée : électrons et noyaux atomiques étaient séparés. Les photons étaient fréquemment diffusés par les électrons libres. Leur trajet changeait sans cesse de direction, ce qui rendait l’univers opaque, comme l’intérieur d’une étoile.

La recombinaison

Autour de 3 000 K, l’hydrogène a pu devenir majoritairement neutre. La diffusion des photons est alors devenue beaucoup plus rare à mesure que le gaz se recombinait et se diluait. Les photons du fond diffus existaient déjà auparavant : nous les observons après leurs dernières diffusions, avec des longueurs d’onde étirées jusqu’au domaine des micro-ondes par l’expansion.

Une frontière dans le temps

Le fond diffus cosmologique constitue la plus ancienne image électromagnétique directe de l’univers accessible à grande échelle. Il conserve des informations sur l’état du plasma avant sa dernière diffusion, même si ce plasma ne pouvait pas être traversé librement par la lumière. La transparence ultérieure n’empêche pas certaines interactions : une partie du rayonnement peut encore être diffusée ou absorbée.

Le saviez-vous ?

En physique des plasmas, la recombinaison désigne la capture d’un électron libre par un ion. Dans l’univers primordial, ces captures deviennent durables lorsque le rayonnement ne réionise plus aussitôt les atomes formés. Le nom du processus ne signifie donc pas que l’univers avait déjà traversé une époque globalement neutre.

Questions fréquentes

Peut-on observer l’univers avant le découplage ?

Pas sous la forme d’une image lumineuse directe traversant librement le plasma primordial. Les neutrinos fossiles, découplés lorsque l’univers avait environ une seconde, pourraient renseigner sur une époque antérieure. Un fond d’ondes gravitationnelles primordiales serait une autre sonde ; son origine et sa chronologie ne se confondent pas avec celles des neutrinos.

Pourquoi le fond diffus est-il dans les micro-ondes ?

Au moment du découplage, la lumière était dans le domaine de la lumière visible et infrarouge (3 000 K). L’expansion de l’univers depuis 13,8 milliards d’années a étiré les longueurs d’onde d’un facteur 1100, les décalant jusqu’aux micro-ondes, correspondant à une température de 2,725 K.

Le découplage s’est-il produit instantanément ?

Non. La probabilité qu’un photon ait diffusé pour la dernière fois varie progressivement au cours de cette transition. La surface de dernière diffusion possède donc une épaisseur : elle ne correspond pas à un instant unique ni à une coquille matérielle.