Des photons vieux comme le monde

En 1964, Penzias et Wilson obtiennent le prix Nobel de physique pour une découverte fortuite mais incroyable. Le fond diffus cosmologique que les deux scientifiques ont mis en avant donne un aperçu de l’univers tel qu’il était peu de temps après le Big Bang. Derrière cette image se cache une lumière ancestrale qui nous illumine encore aujourd’hui.

Dans les laboratoires de la compagnie Bell Telephone, à qui l’ont doit le transistor, le laser ou encore la fibre optique, deux radioastronomes font en 1964 une découverte inattendue. Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson découvrent accidentellement un bruit de fond grâce à leur radiotélescope : le rayonnement fossile de l’Univers ou fond diffus cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background).

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Le CMB observé par Penzias et Wilson en 1964. Crédit : NASA.

Mais que représente réellement cette image ? « Le fond diffus cosmologique, c’est du photon, » explique Stéphane Basa, directeur de recherche au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, « une lumière vieille de milliards d’années. » Les photons primordiaux, emprisonnés dans la matière quand l’univers était encore sombre, se sont libérés lors de la phase de ré-ionisation durant laquelle l’univers est devenu transparent. Ces photons se retrouvent aujourd’hui présents en tous points de l’univers. « C’est un rayonnement faible, mais toujours présent, » déclare le scientifique, « si j’ouvre la fenêtre, des photons du CMB vont rentrer. »

Lumière millénaire, le CMB nous apporte de nombreuses informations et constitue une sorte de carte d’identité de notre univers tel qu’il était 380000 ans après le Big Bang. Mais depuis, l’univers a grandi. Beaucoup grandi. À tel point que cette lumière émise voilà presque 13,7 milliards d’années nous parvient aujourd’hui de régions situées à plus de 45 milliards d’années-lumière de la Terre. Autre conséquence de l’expansion de l’univers : la longueur d’onde des photons du CMB se situe dans le domaine des micro-ondes. « Les antennes râteaux de la télé hertzienne captaient des photons du CMB, » explique Stéphane Basa, « la neige qu’on voyait dans la télé il y a quelques années affichait un pourcentage, faible mais présent, de ce rayonnement ! »

Suite à la découverte de Penzias et Wilson, les scientifiques ont fait du fond diffus cosmologique un sujet de recherche très actif. En 1992, le satellite de la NASA COBE détecte pour la première fois les fluctuations du CMB. En 2001, l’agence spatiale américaine améliore encore ses observations grâce au satellite WMAP.

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L’évolution du CMB avec les détecteurs associés. Crédit image : NASA.

En 2009, c’est l’Agence spatiale européenne qui lance le satellite Plank en vue de préciser encore les données. La carte résultante n’est alors plus du tout uniforme et montre des millions de petites fluctuations, ou anisotropies, qui correspondent à des régions de densité légèrement différente. Les plus denses deviendront plus tard les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui.

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Le CMB vu par Planck. Crédit : ESA.

Pourquoi cette image est tant différente des autres ? Parce qu’elle a été « nettoyée » (c.f. Image en une de l’article, crédit : ESA.) Avant de publier cette carte de l’Univers primordial, les astronomes ont éliminé de ce cliché toutes les sources d’avant plan, la poussière du système solaire, la Voie lactée (la bande rouge horizontale sur les autre clichés), les galaxies, etc.

Le CMB a aussi montré que l’univers était sphérique. Après quatre siècle, de Galilée à nos jours, les astronomes n’ont eu de cesse de reculer les limites de l’Univers. Aujourd’hui, la nature leur impose un cosmos qui semble clos. Ironie d’un éclat de lumière pas comme les autres.

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Crédit : NASA.

Renaud Levantidis

Le mystère I Zwicky 18

I Zwicky 18 est une galaxie irrégulière située dans la constellation de la Grande Ourse à environ 59 millions d’années-lumière de la Voie lactée. Sa composition chimique et sa morphologie en font un lieu d’étude privilégié pour percer les mystères de l’univers.

I Zwicky 18 n’est pas le nom de code d’un programme top secret ou l’immatriculation d’un cyborg extraterrestre. C’est une galaxie naine bleue compacte que certains nomment aussi Markarian 116. Sa morphologie et sa composition chimique sont celles qu’on rencontre habituellement chez les galaxies les plus lointaines, et donc observées peu après leur formation. Deux de ses régions particulièrement brillantes sont riches en jeunes étoiles bleues faisant de I Zwicky 18 un laboratoire parfait pour observer la naissance et la petite enfance des étoiles.

Cependant, les observations spectroscopiques de I Zwicky 18 depuis la Terre ont montré que cette galaxie est presque exclusivement constituée d’hydrogène et d’hélium, deux éléments très légers issus de la nucléosynthèse primordiale du Big Bang. « Sa métallicité est donc très faible : elle ne contient que très peu d’éléments lourds, tels que le carbone, l’oxygène ou le fer, susceptibles de catalyser la formation de nouvelles étoiles, » explique Georges Comte, astrophysicien émérite au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, « la raison pour laquelle cette galaxie connaît actuellement un sursaut de formation stellaire demeure ainsi une énigme qui passionne mes confrères et moi même. »

I_Zwicky_18Au centre, I Zwicky 18 donne l’impression de s’enfoncer dans des nuages. Il s’agit en fait de                                                                                                           filaments de gaz issus de supernovae. Photo prise par le télescope Hubble.

I Zwicky 18 est entourée de volutes bleues, filaments de gaz issus d’une génération précédente de jeunes étoiles chaudes, expulsées du cœur de la galaxie par leur vent stellaire et leurs explosions en supernovae. Pourquoi diable I Zwicky 18 s’écarte-t-elle de la physique interstellaire usuelle ? Personne ne le sait. « Et ce n’est pas faute d’essayer de le savoir ! » déclare Georges Comte. I Zwicky 18 a fait l’objet d’études poussées à l’aide de la plupart des instruments d’observation disponibles, qu’il s’agisse du télescope spatial Spitzer dans le domaine infrarouge, du télescope spatial Hubble dans le domaine de la lumière visible, du télescope spatial FUSE dans l’ultraviolet et du télescope spatial Chandra dans le domaine des rayons X.

« Toutes les données ont été analysées, décortiquées, chaque information apportée par la lumière qu’elle émet a été passée à la loupe, » explique le chercheur. Rien n’y fait. Au travers d’ I Zwicky 18, l’univers nous rappelle qu’il nous cache encore bien des secrets.

 

Renaud Levantidis