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La découverte du rayonnement à 2.7 K

Le Pr. Steven Weinberg en 2012. Document Matt Valentine.

L'écho du Big Bang

Ainsi que l’a écrit Steven Weinberg[13] dans son fameux livre "Les trois premières minutes de l'univers", "La découverte du rayonnement fossile en 1965 fut l’une des plus importantes découvertes scientifiques du vingtième siècle. Pourquoi a-t-elle été faite par accident ? Ou autrement dit, pourquoi n’y a-t-il pas eu de recherche systématique de cette radiation dans les années précédant 1965 ?

Comme d’habitude dirions-nous[14], il semble qu’avant cette date, la théorie devançait une fois encore le travail des praticiens. Aucun instrument ne permettait en effet de tester immédiatement les prédictions des physiciens et des astrophysiciens.

George Gamow invoque pour raison le fait que les astronomes s’étaient détournés du sujet suite aux difficultés de la synthèse des éléments, les uns ayant été synthétisés lors de la recombinaison qui suivi le Big Bang, les autres au sein des étoiles. Il était donc exclu que tous les éléments chimiques se soient créés à l’époque du “Big Bang chaud”. Cette théorie fut donc abandonnée.

Se greffe sur cette explication le clivage qui existe entre théoriciens et praticiens, les seconds ne pouvant imaginer les outils qui conviendraient à détecter cet hypothétique rayonnement fossile ou plutôt cosmologique.

Enfin, dans les années 1950 et 1960 il ne venait à l’idée de personne de croire que l’Univers ait pu commencer par une sorte d’explosion. En fait personne, ou pratiquement personne n’était prêt à accepter cette idée saugrenue... Mais allons jusqu’au bout de notre pensée et essayons de savoir quels furent ces précurseurs aujourd’hui oubliés de la cosmologie moderne.

A la suite de Weinberg, de nombreux écrivains ont raconté l’aventure scientifique de Penzias et Wilson. Aussi nous nous contenterons de la résumer en un ou deux paragraphes avant d’analyser le travail des précurseurs.

Des parasites rebelles

Dans les années 1960, Arno Penzias et Robert Wilson des Bell Telephones Laboratories construisirent à Holmdel dans le New Jersey une énorme antenne métallique en forme de corne baptisée “Holmdel Horn Antenna”. Cet instrument devait servir de relais entre la Terre et les premiers satellites de communications.

A lire : Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s

A.Penzias et R.Wilson, Astroph. J., Vol. 142, 1965, pp419-421, 1965 (PDF de 315 KB)

L'antenne de la découverte

L'antenne de Holmdel en forme de corne fait office de guide d'onde pour les micro-ondes. Elle fut utilisée par A.Penzias (à gauche) et R.Wilson (à droite) pour découvrir le rayonnement cosmologique à 2.7 K en 1965. Documents Roger Ressmeyer/CORBIS et Clara Moskowitz/Scientific American.

C’est avec cette antenne insolite qu’ils mesurèrent un rayonnement à 7.3 cm de longueur d’onde (4109 MHz). Mais ils ne pouvaient déterminer son origine précise car des bruits divers s’y superposaient. Le “bruit” se composait des ondes réfléchies par les signaux ondes courtes dans l’atmosphère terrestre et des émissions radios se propageant à la surface de la Terre auxquelles s’ajoutait le mouvement des particules électriques dans l’antenne, dans les circuits d’amplification ainsi que dans le récepteur.

Ces composantes identifiées, il restait malgré tout une émission persistante qui ne pouvait être éliminée. Elle restait constante quelle que soit l’orientation de l’antenne. L’intensité du rayonnement ne variait pas non plus en fonction de la position de la Voie Lactée.

Il ne resta finalement que deux explications : soit il restait une composante à identifier soit la radiation provenait de l’espace profond. Penzias et Wilson soupçonnèrent tout d’abord un parasite lié à l’antenne (imperfection de la surface des guides d’ondes, des rivets de fixation et même de la fiente des pigeons qui avaient fait leur nid dans l’antenne). Une vérification de ces éléments et un nettoyage complet de l’antenne ne réduisit que faiblement la température électrique de l’antenne. Pendant quelques temps Penzias et Wilson vécurent avec ce problème de température de bruit.

Un jour, au printemps 1965, Penzias discuta avec son ami Burke de différentes choses dont du mystérieux rayonnement détecté par leur antenne. Burke se rappela le commentaire que lui avait fait Peebles, qui travaillait alors auprès de Robert Dicke dans un laboratoire proche, à l’Université de Princeton. Burke lui dit que Peebles avait dit quelque chose à propos d’une radiation reliquat de l’Univers primordial qui devait exister à une température d’environ 10 K.

Penzias contacta Dicke par téléphone et lui demanda si les deux équipes pouvaient se rencontrer. Dicke et ses collègues Peebles, Roll et Wilkinson réalisèrent que Penzias et Wilson avaient découvert le "rayonnement fossile" de l’Univers chaud primordial ! Le groupe de Princeton dirigé par Dicke était en train de préparer un instrument pour effectuer des mesures similaires à 3 cm de longueur d’onde, mais ils n’avaient pas encore commencé leurs mesures. Penzias et Wilson venaient de les battre sur le fil.

Les acteurs (I)

Robert Dicke, James Peebles (ca.1970), Arno Penzias et Robert Wilson. Documents NAP, SONOMA et Bemidji U.

Comme le dira plus tard Wilson[15] lorsqu’il recevra le Prix Nobel avec Penzias : “Nous furent heureux d’apprendre que le mystérieux bruit qui apparaissait dans notre antenne avait une explication de n’importe quel genre, spécialement celle qui présentait des implications cosmologiques significatives”.

Aujourd'hui, nous savons que ce rayonnement cosmologique à 2.73 K remonte à l'époque de la Recombinaison, il y a environ 380000 ans après le Big Bang et représente la dernière surface de diffusion. Cette émission micro-onde est omniprésente, homogène et isotrope à 10-5 près. Ce rayonnement représente 400 photons/cm3 et environ 1% de la "neige" qui apparaît sur les postes TV.

Un rayonnement venu de loin

A quand remonte la théorie du rayonnement cosmologique ? Il faut remonter en 1934 quand Richard Tolman démontra pour la première fois que la radiation de corps noir dans un univers en expansion pouvait conserver l'empreinte de sa distribution thermique.

En 1937, en analysant les raies d’absorption de l’étoile z Ophiuchi, Théodore Dunham et Walter Adams découvrirent la double raie du radical nitrile CN, un cyanure (que les Anglo-saxons appelent "cyanide"). Il s'agissait de la première molécule découverte dans l'espace.

En 1940, dans un article publié dans la revue de l'American Society of the Pacific, l’astronome canadien Andrew McKellar nota que cette double raie était particulièrement excitée. Il calcula que ce rayonnement ne pouvait se former que si la lumière était absorbée par une molécule CN en rotation excitée à une température d’environ 2.3 K. Bien sûr à cette époque, personne ne pensa à la possibilité que cette molécule puisse être excitée par le rayonnement cosmologique. En fait, personne n’avait même imaginé à cette époque que l’Univers primordial puisse être chaud ! On expliquait donc plus volontiers cette excitation par la collision avec des électrons. Malgré tout, McKellar avait donc découvert dès 1941 un effet indirect du rayonnement à 2.7 K.

Ironie du sort, lors de la mission du satellite COBE en 1989, c'est le même radical CN qui servit de "thermomètre" de référence à la mesure du rayonnement cosmologique.

En 1948, George Gamow avait annoncé à Ralph Alpher et Robert Herman dans une lettre qui demeura non publiée jusqu’à la lecture de Penzias lors de la cérémonie de remise du Prix Nobel en 1978 : “La seule chose que l’on puisse dire est que la température résiduelle de la chaleur originale de l’univers n’est pas supérieure à 5 K”.

En 1955, le radioastronome français Emile Le Roux détecta le rayonnement cosmologique mais considéra avec mépris qu'il s'agissait d'un bruit généré par les défauts de son instrument et ne s'inquiéta plus de sa présence.

En revanche, en 1957 dans sa thèse de doctorat, l’astronome ukrainien Tigran Shmaonov de l’Institut de Physique Générale avait également fait cette expérience mais eut une meilleure intuition. Il publia en effet dans le journal soviétique "Instruments et méthodes expérimentales" une analyse rendant compte des sources possibles de bruits à la longueur d’onde de 3.2 cm. Il réalisa cette expérience au moyen d’un instrument proche de celui utilisé des années plus tard par Penzias et Wilson, mais beaucoup moins sensible. Il concluait ses mesures en disant : “La température effective absolue du rayonnement de fond... apparaît être de 4 ±3 K”.

Shmaonov exagéra l’indépendance de l’intensité de ce rayonnement de la direction et du temps. Les erreurs de mesures de Shmaonov étaient nombreuses et son estimation de 4 K était absolument fortuite, mais on réalise aujourd’hui qu’il n’avait rien enregistré d’autre que le rayonnement cosmologique micro-onde. Malheureusement, ni Shmaonov ni aucun de ses mentors scientifiques, ni aucun des astronomes qui en pris connaissance, ne soupçonnait alors l’existence de ce rayonnement et ils ne firent pas attention à la valeur de ce résultat.

Les acteurs (II)

George Gamow, Sergei Novikov et Yakov Zel'dovitch (ca.1950). Documents U.Colorado, SONOMA, et Prof. V.I.Goldanskii.

Tout le monde oublia ces travaux et même en 1964, lorsque Andrei G.Doroshkevich et Sergei Novikov s’inquiétèrent de savoir si quelqu’un avait réalisé des mesures centimétriques et à de plus courtes longueurs d’ondes, personne ne se rappela les travaux de Shmaonov et McKellar.

Suite à la découverte du rayonnement cosmologique en 1965, Shklovsky, Field, Hitchcock, Sachs, Thaddeus et Wolf publièrent plusieurs articles à partir de 1966, dans lesquels ils expliquaient que la rotation des molécules CN observées dans le spectre de z Ophiuchi et de trois autres étoiles était en fait provoqué par le rayonnement cosmologique micro-onde.

De leur côté, Rainer Sachs et Arthur Wolf prédirent qu'il devait exister des fluctuations d'amplitude dans le rayonnement cosmologique micro-onde et qu'elles seraient à même de créer des variations du potentiel gravitationnel.

En 1968, Martin Rees et Dennis Sciama démontrèrent que ces fluctuations d'amplitude du rayonnement cosmologique évoluaient au cours du temps.

En 1969, Rashid Sunyaev et Yakov Zel'dovitch étudièrent l'effet Compton inverse produit par les photons du rayonnement cosmologique micro-onde sur les électrons. Ainsi que nous l'avons expliqué à propos de l'avenir de l'univers, dans les années 1980, ils découvrirent que les émissions X des électrons du gaz chaud intra-amas pouvaient notablement perturber le rayonnement à 2.7 K dont la fréquence serait légèrement décalée en provoquant un refroidissement à 2.67 K; c'est l'effet Sunyaev-Zel'dovitch. Cette mesure permet également de déterminer la constante de Hubble et la densité de la matière sombre dans les amas.

Enfin, il y eut les missions couronnées de succès des satellites COBE, WMAP et surtout Planck qui apportèrent les preuves que les prédictions des astrophysiciens et des cosmologistes étaient conformes à la réalité. On y reviendra dans l'article consacré aux missions COBE, WMAP et Planck.

Pour plus d'informations

Les missions COBE, WMAP et Planck (sur ce site)

Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s, A.A.Penzias et R.W.Wilson, ApJ, 142, 1965, pp419-421 (PDF de 315 KB)

The Cosmological Background Radiation, M.Lachièze-Rey et E.Gunzig, Cambridge University Press, 1999

Le visage de Dieu, I. et G. Bogdanov, Grasset, 2010.

A lire : La théorie du Big Bang

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[13] S.Weinberg, "The First Three Minutes", ch.6, Basic Books, 1977/1988.

[14] Consulter le dossier sur la philosophie des sciences (Les dérives : clivage entre théorie et pratique).

[15] R.Wilson, Nobel lecture, 8 dec 1978, cité dans Review of Modern Physics, 51, 1978, p440, “The cosmic microwave background radiation”.


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