Fond diffus cosmologique

Le fond diffus cosmologique (FDC), aussi appelé rayonnement fossile ou CMB (Cosmic Microwave Background), est un rayonnement thermique hérité de l’univers primordial. Il nous renseigne surtout sur l’époque où ses photons ont cessé d’être fréquemment diffusés par les électrons libres, environ 380 000 ans après le Big Bang. C’est l’écho lumineux de cette époque, que nous pouvons encore détecter aujourd’hui dans toutes les directions du ciel.

L’origine du rayonnement fossile

Dans le jeune univers, matière et rayonnement étaient fortement couplés dans un plasma opaque. Les photons changeaient continuellement de direction en diffusant sur les électrons libres. Vers 3 000 K, la formation d’atomes d’hydrogène neutres a raréfié ces électrons. Les photons déjà présents ont alors pu parcourir de grandes distances : le milieu est devenu transparent.

Un rayonnement refroidi par l’expansion

Depuis cette époque, l’expansion a étiré les longueurs d’onde du rayonnement jusqu’au domaine des micro-ondes. Aujourd’hui, son spectre correspond à une température d’environ 2,725 K, à peine au-dessus du zéro absolu. Après correction notamment du mouvement de l’observateur et des émissions de notre Galaxie, de très faibles anisotropies apparaissent.

Un outil cosmologique majeur

Ces minuscules variations de température portent la trace des fluctuations du plasma primordial et des potentiels gravitationnels. Elles ne sont pas une simple carte directe de la densité. Leur analyse, confrontée à un modèle cosmologique, renseigne sur la géométrie de l’univers, sa composition et son histoire. Les perturbations initiales ont ensuite contribué à la formation des galaxies, amas et filaments.

Le saviez-vous ?

Le fond diffus cosmologique a été découvert par accident en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson, qui cherchaient à éliminer un bruit de fond parasite dans leur antenne radio. Ce bruit persistait quelle que soit la direction pointée. Ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1978 pour cette découverte.

Questions fréquentes

Peut-on voir le fond diffus cosmologique ?

Pas à l’œil nu. Il est invisible car son rayonnement est dans le domaine des micro-ondes. Des satellites spécialisés comme COBE, WMAP et Planck l’ont cartographié avec une précision croissante, révélant une carte détaillée du ciel primordial.

Le fond diffus est-il vraiment uniforme ?

Il est extrêmement uniforme, mais pas parfaitement. Les anisotropies primordiales sont de l’ordre de quelques parties sur cent mille, selon l’échelle angulaire considérée. Elles témoignent des perturbations initiales dont la gravité a amplifié certaines composantes pour former les grandes structures.

Quelle est la différence entre le fond diffus et la lumière des étoiles ?

La lumière des étoiles est produite par des réactions nucléaires dans des étoiles récentes. Le fond diffus est le rayonnement thermique résiduel du plasma primordial, qui s’est propagé librement bien avant la formation des premières étoiles et galaxies. Il est bien plus ancien et uniforme.