Principal AstronomieQuel est le fond cosmique de micro-onde?

Quel est le fond cosmique de micro-onde?

Astronomie : Quel est le fond cosmique de micro-onde?

Depuis des milliers d'années, l'être humain contemple l'univers et cherche à déterminer sa véritable étendue. Et tandis que les anciens philosophes croyaient que le monde était constitué d'un disque, d'une ziggourat ou d'un cube entouré d'océans célestes ou d'une sorte d'éther, le développement de l'astronomie moderne leur a ouvert les yeux sur de nouvelles frontières. Au 20ème siècle, les scientifiques ont commencé à comprendre à quel point l'univers était vaste (et peut-être même sans fin).

Et en cherchant plus loin dans l'espace et plus loin dans le temps, les cosmologues ont découvert des choses vraiment étonnantes. Par exemple, dans les années 1960, les astronomes ont pris conscience du rayonnement de fond hyperfréquence détectable dans toutes les directions. Connu sous le nom de fond hyperfréquence cosmique (CMB), l’existence de ce rayonnement a contribué à éclairer notre compréhension du début de l’univers.

La description:

Le CMB est essentiellement un rayonnement électromagnétique laissé depuis la plus haute époque cosmologique et qui imprègne tout l’Univers. On pense qu'il s'est formé environ 380 000 ans après le Big Bang et contient des indications subtiles sur la formation des premières étoiles et galaxies. Bien que ce rayonnement soit invisible à l'aide de télescopes optiques, les radiotélescopes sont capables de détecter le faible signal (ou lueur) le plus puissant dans la région des hyperfréquences du spectre radio.

Le CMB est visible à une distance de 13, 8 milliards d'années lumière dans toutes les directions depuis la Terre, ce qui a amené les scientifiques à déterminer qu'il s'agissait du véritable âge de l'Univers. Cependant, ce n'est pas une indication de la véritable étendue de l'univers. Étant donné que l'espace est en expansion depuis le début de l'Univers (et qu'il se développe plus rapidement que la vitesse de la lumière), le CMB est simplement le plus lointain que nous puissions voir.

Relation avec le Big Bang:

Le CMB est au cœur de la théorie du Big Bang et des modèles cosmologiques modernes (tels que le modèle Lambda-CDM). Selon la théorie, lorsque l'Univers est né il y a 13, 8 milliards d'années, toute la matière était condensée en un seul point de densité infinie et de chaleur extrême. En raison de la chaleur extrême et de la densité de la matière, l'état de l'univers était extrêmement instable. Soudainement, ce point a commencé à s’étendre et l’Univers tel que nous le connaissons a commencé.

A cette époque, l'espace était rempli d'une lueur uniforme de particules de plasma chauffées à blanc - constituées de protons, neutrons, électrons et photons (lumière). Entre 380 000 et 150 millions d'années après le Big Bang, les photons interagissaient constamment avec des électrons libres et ne pouvaient pas parcourir de longues distances. D'où la raison pour laquelle cette époque est familièrement appelée les «âges sombres».

Tandis que l'Univers continuait à se développer, il se refroidissait à un point tel que les électrons étaient capables de se combiner avec des protons pour former des atomes d'hydrogène (ou période de recombinaison). En l'absence d'électrons libres, les photons ont pu se déplacer sans encombre dans l'Univers et celui-ci a commencé à apparaître comme aujourd'hui (c'est-à-dire transparent et imprégné de lumière). Au fil des milliards d'années, l'Univers a continué à se développer et à se refroidir considérablement.

En raison de l'expansion de l'espace, les longueurs d'onde des photons ont augmenté (sont devenues «décalées) jusqu'à environ 1 millimètre et leur température effective a chuté jusqu'à un niveau juste supérieur au zéro absolu 2, 7 Kelvin (-270 ° C; - 454 F). Ces photons remplissent l'Univers aujourd'hui et apparaissent comme une lueur d'arrière-plan qui peut être détectée dans l'infrarouge lointain et les longueurs d'onde radio.

Histoire de l'étude:

L’existence du CMB a été théorisée pour la première fois en 1948 par le physicien américano-ukrainien George Gamow, ainsi que par ses étudiants Ralph Alpher et Robert Herman. Cette théorie s’appuyait sur leurs études des conséquences de la nucléosynthèse d’éléments légers (hydrogène, hélium et lithium) au tout début de l'univers. Ils ont essentiellement compris que pour synthétiser les noyaux de ces éléments, l'univers primitif devait être extrêmement chaud.

La chronologie du Big Bang de l'univers. Les neutrinos cosmiques affectent le CMB au moment de son émission, et la physique s'occupe du reste de son évolution jusqu'à aujourd'hui. Crédit image: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).

Ils ont ensuite émis l’hypothèse que les restes de radiation de cette période extrêmement chaude imprégneraient l’Univers et seraient détectables. En raison de l'expansion de l'Univers, ils ont estimé que ce rayonnement de fond aurait une température basse de 5 K (-268 C; -450 F) à peine cinq degrés au-dessus du zéro absolu, ce qui correspond à micro-ondes. «Ce n’est qu’en 1964 que la première preuve du CMB a été détectée.

Ceci est le résultat de l'utilisation du radiomètre Dicke par les astronomes américains Arno Penzias et Robert Wilson, qu'ils avaient l'intention d'utiliser pour les expériences de radioastronomie et de communication par satellite. Cependant, lors de leur première mesure, ils ont remarqué un excès de température de l’antenne de 4, 2K qu’ils ne pouvaient pas expliquer et qui ne pouvait s’expliquer que par la présence d’un rayonnement de fond. Pour leur découverte, Penzias et Wilson ont reçu le prix Nobel de physique en 1978.

Initialement, la détection du CMB était une source de discorde entre les partisans de différentes théories cosmologiques. Alors que les partisans de la théorie du Big Bang ont prétendu qu'il s'agissait du «rayonnement relique» laissé par le Big Bang, les partisans de la théorie de l'état stable ont affirmé qu'elle résultait de la dispersion de la lumière des étoiles provenant de galaxies lointaines. Cependant, dans les années 1970, un consensus scientifique s'était dégagé favorable à l'interprétation du Big Bang.

Données "tout ciel" obtenues par la mission Planck de l'ESA, montrant les différentes longueurs d'onde. Crédit: ESA

Au cours des années 1980, les instruments au sol ont imposé des limites de plus en plus strictes aux différences de température du CMB. Il s’agissait de la mission soviétique RELIKT-1 à bord du satellite Prognoz 9 (lancé en juillet 1983) et de la mission NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (dont les conclusions ont été publiées en 1992). L’équipe COBE a reçu le prix Nobel de physique en 2006 pour ses travaux.

COBE a également détecté le premier pic acoustique du CMB, les oscillations acoustiques dans le plasma qui correspondent aux variations de densité à grande échelle dans l'univers primitif créées par les instabilités gravitationnelles. Au cours de la décennie suivante, de nombreuses expériences ont été menées. Elles consistaient en des expériences au sol et à l'aide de ballons visant à fournir des mesures plus précises du premier pic acoustique.

Le second pic acoustique a été détecté provisoirement par plusieurs expériences, mais il n'a pas été détecté définitivement avant le déploiement de la sonde d'anisotropie à micro-ondes Wilkinson (WMAP) en 2001. Entre 2001 et 2010, lorsque la mission s'est terminée, le WMAP a également détecté un troisième pic. Depuis 2010, plusieurs missions surveillent le CMB afin de fournir des mesures améliorées de la polarisation et des variations de densité à petite échelle.

Il s'agit notamment de télescopes au sol tels que QUEST à DASI (QUaD) et le pôle Sud à la station Amudsen-Scott South Pole, ainsi que des télescopes Atacama Cosmology et Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) au Chili. Pendant ce temps, le vaisseau spatial Planck de l'Agence spatiale européenne continue de mesurer le CMB depuis l'espace.

L'avenir du CMB:

Selon diverses théories cosmologiques, l'Univers peut à un moment donné cesser son expansion et commencer à s'inverser, aboutissant à un effondrement suivi d'un autre Big Bang - aka. la théorie du Big Crunch. Dans un autre scénario, connu sous le nom de Big Rip, l’expansion de l’Univers finira par entraîner la destruction de toute la matière et de l’espace-temps.

Si ni l'un ni l'autre de ces scénarios ne sont corrects et que l'Univers continue à se développer à un rythme accéléré, le CMB continuera à redshifting jusqu'au point où il n'est plus détectable. À ce stade, il sera dépassé par la première lumière stellaire créée dans l'univers, puis par les champs de rayonnement de fond produits par des processus supposés se produisant dans l'avenir de l'univers.

Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur le fond cosmique pour micro-ondes ici à Universe Today. Voici ce qu'est le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques ?, Théorie du Big Bang: Évolution de notre univers, qu'est-ce que l'inflation cosmique? La quête pour comprendre l'univers le plus ancien, découverte historique: de nouveaux résultats fournissent des preuves directes de l'inflation cosmique et à quelle vitesse l'univers est-il en expansion? Hubble et Gaia font équipe pour effectuer les mesures les plus précises à ce jour.

Pour plus d'informations, consultez la page de mission WMAP de la NASA et la page de mission Planck de l'ESA.

Astronomy Cast a également des informations sur le sujet. Écoutez-le ici: Épisode 5 - Le Big Bang et le fond diffus cosmologique

Sources:

  • ESA - Planck et le fond cosmique des micro-ondes
  • La physique de l'univers - rayonnement cosmique de fond
  • Cosmos - Fond cosmique à micro-ondes
  • Wikipedia - Fond de micro-ondes cosmique
Catégorie:
La fusée commerciale Antares détruite par une boule de feu dévastatrice - Vidéo
La Constellation De Corvus