Le_rayonnement_fossile_Partie_2.2

Les anisotropies du fond de rayonnement cosmologique sont non seulement représentées
sous forme de cartes mais aussi sous forme d’un spectre de puissance. Le spectre de puissance
ci-dessous figuré indique l’amplitude des variations de température en fonction de leur
diamètre apparent sur la voûte céleste. Ainsi, du fait que l’on distingue d’un simple regard les
hétérogénéités d’un diamètre d’environ un degré saupoudrées sur toute la carte du fond diffus,
cela se traduit dans le spectre de puissance par la présence d’un pic très marqué à l’échelle
angulaire de un degré. Ce « spectre angulaire » des fluctuations confirme les modèles dit
d’inflation qui prédisaient la présence de ces pics. (Les grumeaux de un degré ont donné lieu
aux grandes structures contemporaines d’un million de parsecs).
Ce spectre de puissance1 présente l'amplitude des variations de température (ou plus exactement leur variance) en
fonction de leur diamètre angulaire sur la voûte céleste. Le fait que l'on distingue des grumeaux d'un diamètre d'environ
un degré saupoudrés sur la carte du fond diffus, se traduit ici par la présence d'un pic très marqué à l'échelle angulaire
de un degré. Le spectre mesuré s’accorde très bien avec la courbe théorique calculée pour un Univers âgé de 13,4
milliards d’années, doté de matière noire et d’énergie sombre (analogue à la constante cosmologique). (Nous
aborderons le sujet de la matière noire et de l’énergie sombre dans un cours à venir)
1
In ‘Pour la Science’, juin 2003, article de S. Prunet et F. Bouchet.
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Le premier pic donne l’angle sous lequel nous voyons les grumeaux de la surface de dernière
diffusion. Les astrophysiciens avaient prédit que leur diamètre apparent vu de la terre serait
de un degré environ, si les rayons lumineux qui nous en apportent l’image se propagent en
ligne droite, ce qui est le plus probable. Voir figure ci-dessous2
Contempler le passé.
L'angle sous lequel nous voyons aujourd'hui un événement donné (par exemple l'horizon
sonore) dans le ciel du fond diffus cosmique dépend de nombreux paramètres cosmologiques. En
particulier, comme le montre cette illustration, l'existence d'une courbure spatiale de l'Univers fait
apparaître les événements sous un angle différent. Les observations les plus récentes semblent
indiquer que notre Univers comprendrait une densité d'énergie sensiblement égale à la densité
critique et que les rayons lumineux traversant la quasi-totalité de l'Univers suivraient donc des
trajectoires en ligne droite, correspondant au cas d'une géométrie euclidienne pour l'espace, c'està-dire plate.
Beaucoup d’autres informations sont extraites de l’analyse de ce spectre de puissance.
Etant donné les données extrêmement précises déjà recueillies, étant donné aussi la puissance de
calcul informatique dont nous disposons, il est possible maintenant de réaliser et de tester des
simulations de dynamique d’évolution de l’Univers et de formation de ses structures. Ainsi il est
possible d’affirmer maintenant que la géométrie de l’Univers actuel est euclidienne c'est-à-dire
que sa courbure est nulle. De là, on peut déterminer la densité moyenne de matière et d’énergie
totale du cosmos.
Après avoir mesuré la température moyenne du fond diffus cosmologique avec une très
grande précision, après avoir mesuré ses infimes fluctuations et les avoir valablement
interprétées dans le cadre du Modèle Standard de la Cosmologie, la connaissance bien plus
précise de la polarisation du fond diffus cosmologique est attendue avec le satellite Planck qui
sera lancé en 2007. La connaissance précise de cette polarisation permettra par exemple d’affiner
la connaissance des paramètres cosmologiques, de préciser les mécanismes et la datation des
grandes étapes de la structuration du cosmos. Des résultats indicatifs encourageants ont déjà été
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In ‘Des défauts dans l’Univers’ de Patrick Peter et Alejandro Gangui, page 103. CNRS EDITIONS.
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obtenus mais ils sont encore insuffisants pour pouvoir tirer des conclusions définitives. Déjà on
peut prédire qu’un supplément de polarisation est dû au processus de réionisation, phénomène
caractéristique avec l’apparition des premières galaxies et étoiles. Des mesures précises de cet
excédent de polarisation permettront donc de dater et d’évaluer l’ampleur de la formation de
ces protostructures.
Les principaux paramètres cosmologiques ont les valeurs suivantes.
Âge de l’Univers : 13,4 milliards d’années à + ou – 0.3 mrds d’années.
Date du découplage : 372 mille années à + ou – 14 mille années.
Constante de Hubble : H0 = 72 km/s/mpc à + ou – 5 km/s/mpc.
Densité de matière critique : ρc, de l’ordre de 10-29 g/cm3.
Nombre de baryons par photon : η = 6,5x10-10.
D’autres paramètres complémentaires, significatifs, vous seront donnés aux cours
suivants.
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Des simulations informatiques permettent aux cosmologistes de relier la répartition de la matière (les points)
aujourd'hui (révélée par le recensement Sloan Digital Sky Survey) à celle des premiers instants de l'Univers
(révélée par le fond diffus cosmologique). L'Univers étant en expansion, les différentes étapes représentées ici ne sont
pas à la même échelle (la première, (a), mesure environ cinq millions d'années-lumière en diagonale, la dernière, (d),
environ 140). La valeur Z représente le «décalage vers le rouge», elle est équivalente à la date cosmique ou la
lumière a été émise, ou encore, a la distance de l'objet étudié. Au début (a), l’Univers est encore obscur. Mais, à
partir de petites fluctuations de densité révélées par le fond diffus de rayonnement cosmologique, la
matière continue de se condenser (b) sous l'effet de la gravitation. Les premières galaxies apparaissent à
cette époque. Ensuite, la gravité a aggloméré la matière en de vastes filaments (c) et vidé les espaces
environnants. Aujourd'hui (d), le recensement Sloan Digital Sky Survey montre les concentrations de matière qui
structurent l'Univers.
Âge = 120 millions d’années. Z = 28,62.
Âge = 490 millions d’années. Z= 9,83
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Bibliographie :
Initiation à la cosmologie de M. Lachièze-Rey, Ed. Dunod.
Pour la Science, Juin 2003 : article de S. Prunet et F. Bouchet : Le rayonnement fossile.
Pour la Science, Octobre/Décembre 2004, numéro spéciale : l’histoire de l’Univers.
Science et Vie, décembre 1998, article de Benoît Revenu : 600 000 ans après le Big Bang : comment la
gravitation a pris le pas… page 100.
Pour la Science, septembre 2005, article de G. Starkman et D. Schwarz : l’Univers est-il désaccordé?
Des défauts dans l’Univers de Patrick Peter et Alejandro Gangui, chapitre 7, CNRS éditions.
Sciences et Avenir, Mai/juin 1999, article de S. Vauclair : La force originelle. page. 18.
La Magie du Cosmos, de Brian Greene, Robert Laffont.
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