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    Voir au-delà de 13 milliards d'années  
    Serge Brunier - Science & Vie, HS 259 - 2012-03-01      
    Remontant à 380'000 ans des tout premiers instants de l'Univers, les images du fond diffus cosmologique font entrapercevoir aux astronomes le déroulement du big bang. Mais entrapercevoir seulement…  
   

En 2010, le satellite Planck a fourni l'image la plus précise à ce jour de l'Univers au moment de l'émission du rayonnement fossile, il y a 13,7 milliards d'années… moins 380'000 ans.

 
    Repérer une galaxie à 12,9 milliards d'années-lumière et détecter une supernova à 13,1 milliards d'années-lumière, ces exploits étaient impensables il y a encore quelques années. Et pourtant, comment s'en contenter ? Comment réprimer l'envie d'aller encore plus loin, de remonter aux origines mêmes de l'Univers, à son instant ? Voir le big bang, et comprendre enfin comment tout a commencé… Mais où regarder ? Où trouver ce fameux big bang ? Eh bien il est là, partout ! A l'ouest, à l'est, au nord, au sud, au-dessus de nos têtes, et sous nos pieds. D'ailleurs, parler d'Univers ou de big bang, c'est la même chose, ou presque. Le big bang désigne simplement l'Univers lors d'un épisode passé de son histoire : cette période où il est brusquement entré en expansion ultra-rapide à partir d'un état hyper-dense et hyper-chaud, et où régnaient des conditions si extrêmes que les théories physiques actuelles sont incapables de les décrire…  
   

Une douce clarté invisible

 
    De cette période, fugace et explosive, tout provient, le visible et l'invisible. Les galaxies, qui se comptent par millions dans les deep fields photographiés par les télescopes géants, ne sont rien d'autre que les grumeaux agglomérés du fluide cosmique homogène que fut autrefois l'Univers. Sa trace est partout, y compris en nous : l'hydrogène, présent dans l'eau qui constitue 70% de nos corps, est l'une des premières créations du jeune Univers en expansion !  
   

Les galaxies ne sont rien d'autre que les grumeaux agglomérés du fluide cosmique homogène que fut autrefois l'Univers

 
    Mais le plus spectaculaire souvenir que l'Univers a de son lointain passé, c'est une relative chaleur (-270°C) qui baigne aujourd'hui tout l'espace : le rayonnement de fond cosmologique, ou "rayonnement fossile". La rémanence obscure de ce que fut autrefois l'Univers - de la lumière, une pure et aveuglante lumière - est aujourd'hui devenue une douce clarté invisible. Seuls les yeux électroniques sensibles au rayonnement millimétrique la perçoivent, mais elle emplit le ciel entier, l'espace entier. Car si les télescopes parviennent à observer des galaxies situées jusqu'à 13 milliards d'années-lumière, et un jour, peut-être, jusqu'à 13,3 ou 13,4 milliards d'années-lumière, le rayonnement de fond cosmologique, lui, a été émis bien plus tôt, très exactement 380'000 ans après le big bang. La machine à remonter le temps des cosmologistes fait là un saut vertigineux !  
    En ce temps-là, ni les galaxies ni les étoiles n'existaient. L'Univers était un fluide homogène et brillant, chauffé à 3'000°C environ. Un hypothétique observateur de cette époque aurait vu, partout autour de lui, un brouillard aussi aveuglant que la surface du Soleil… Ce brouillard est toujours là aujourd'hui, mais il s'est dissipé. Devenu transparent ou presque, il ne porte plus qu'une infime partie de l'énergie du départ : ce sont maintenant les étoiles qui condensent la plus grande partie de ce gaz primordial, l'espace, quant à lui, est porté à une température de seulement 2,7°C supérieure au zéro absolu, la température qu'aurait l'Univers s'il était vide.  
    Lancés respectivement en 1989 et 2001, Cobe et WMAP, deux satellites américains, ont scanné la totalité de la voûte céleste avec leurs capteurs millimétriques, afin de mesurer le rayonnement de tond cosmologique. À la clé, une photographie de l'Univers tel qu'il existait au moment de l'émission du rayonnement fossile, il y a 13,7 milliards d'années moins 380'000 ans. On le sait, l'expansion universelle dilate les rayonnements qui traversent l'Univers, c'est le fameux redshift, qui augmente la longueur d'onde des astres observés. Ainsi, alors qu'il a été émis à l'époque à 0,3 micron de longueur d'onde, le rayonnement fossile nous parvient avec un redshift de 1100, à 1,8 millimètre de longueur d'onde !  
   

Les satellites Cobe et WMAP avaient déjà cartographié le rayonnement cosmologique en 1989 et 2001, mais avec bien moins de précision que Plank en 2010

 
    Comprendre que cette diaphane tapisserie cosmique est visible partout, tout autour de nous, permet en passant de tordre le cou à une idée reçue aussi vieille que la théorie du big bang, celle que le big bang est une gigantesque explosion - celle de "l'atome primitif" suggéré par l'abbé Lemaître, père, en 1927, de la première version de la théorie. Dans cette version naïve, intuitive, de la théorie du big bang, cette explosion emporte avec elle les galaxies dans un espace préexistant et vide. Mais l' espace-temps légué par Albert Einstein, ce n'est pas cela : il est en relation intime avec la matière, ou l'énergie (c'est la même chose), qu'il contient. Dans la vision cosmologique contemporaine, le big bang ne représente plus l'apparition explosive de l'Univers à un moment donné dans l'espace, il marque l'expansion ultra-rapide de l'Univers entier et, avec lui, de l'espace et du temps…  
    À partir de quoi s' est- il constitué ? C'est la question qui fâche, ou plutôt fascine les cosmologistes. Car on ne le sait pas. Lorsqu'ils utilisent les équations de la relativité générale pour remonter le temps cosmique jusqu'au big bang, les cosmologistes voient la température et la densité du fluide-Univers grimper dans leur thermomètre imaginaire jusqu'à une valeur infinie, tandis qu'une dimension quelconque (la taille de l'Univers visible depuis la Terre, par exemple) devient ponctuelle. Ce paradoxe (une énergie infinie dans un volume nul) hante les physiciens depuis un demi-siècle; il signale seulement, d'après eux, les limites de la théorie de la relativité générale. À l'aune de la relativité, dans le langage des mathématiciens, le big bang est une "singularité" où s'abîment espace, temps, matière et énergie, et le bon sens commun…  
    Pourtant, les scientifiques ne renoncent pas. Pour tenter de comprendre comment notre monde est construit aujourd'hui, ils veulent reconstituer, plan après plan, grâce à des télescopes toujours plus puissants, l'histoire de sa fabrication, et tenter de voir le plus loin possible, jusqu'à son origine, si ce mot a un sens, jusqu'au big bang, en tout cas. Un défi utopique, comme nous le verrons, mais nécessaire… En attendant, le tableau n'est pas si sombre. Théorie et observation convergent vers la date de fabrication de notre univers : c'était il y a 13,7 milliards d'années. Les télescopes suivent l'évolution des galaxies jusqu'à 13 milliards d'années-lumière environ. Puis, les chercheurs sont confrontés à près de 700 millions d'années de "black-out" total, l'Âge sombre, où ils ne voient rien du tout. Enfin, en arrière-plan, apparaît un dernier feuillet sur la tapisserie cosmique: le rayonnement de fond cosmologique, émis 380000 ans après le big bang. On peut raisonnablement espérer que les 700 millions d'années de l'Âge sombre seront un jour éclairés par les télescopes. Nous verrons alors, plus ou moins nettement, apparaître les premières structures de l'Univers, étoiles et galaxies.  
   

Une limite observationnelle

 
    D'ailleurs, la lumière du rayonnement fossile contient déjà ces structures en devenir: les satellites Cobe et WMAP ont, en effet, découvert que, 380'000 ans après le big bang, le fluide-Univers n'est pas tout à fait homogène. Des grumeaux, c'est-à-dire des zones où la pression et la température du gaz sont très légèrement supérieures à la moyenne, sont visibles sur les photographies des deux satellites américains. Devenus condensations, puis nuages de gaz en effondrement, ces grumeaux donneront ensuite naissance aux premiers astres, environ 200 millions d'années plus tard.  
    Et avant ? Avant, les choses se simplifient… et se compliquent. Elles se simplifient, parce que plus on s'approche du big bang, plus l'Univers s'homogénéise : plus d'astres, seulement un fluide brillant (de l'hydrogène et de l'hélium) en expansion rapide. Mais elles se compliquent, parce que l'observation de l'Univers, aux parages du big bang, devient de plus en plus difficile. Aujourd'hui, avec le rayonnement de fond cosmologique, les astronomes sont arrivés à une limite observationnelle. Car l'émission de cette lumière aveuglante correspond à un moment particulier de l'histoire de l'Univers. Le moment où le plasma brillant en expansion depuis le big bang devient suffisamment froid pour devenir un gaz. Autrement dit, les noyaux atomiques d'hydrogène et d'hélium capturent les électrons qui jusqu'alors circulaient librement. D'abord plasma brillant et opaque comme du brouillard, l'Univers devient alors un océan d'hydrogène et d'hélium parfaitement transparent: la lumière s'échappe, dans 13,7 milliards d'années, elle touchera les capteurs de Cobe, de WMAP et de Planck…  
   

La détection des ondes indiquant les spasmes originels de l'espace-temps signerait le triomphe de la cosmologie moderne

 
    Aujourd'hui, le brouillard du rayonnement de fond cosmologique est à la fois un mur a priori infranchissable de lumière, et le seul espoir de savoir ce qui s'est passé avant, au cours des 380'000 ans qui nous séparent encore du big bang. L'enjeu est immense, et l'Europe, après les Etats-Unis, s'est lancée dans cette quête. Après Cobe et WMAP, le satellite Planck scanne le ciel depuis 2009, et dresse à son tour le portrait de l'Univers tel qu'il était juste après le big bang. Trente fois plus précis que WMAP, Planck nous offrira une image de l'Univers radicalement nouvelle, pensent les cosmologistes. Leur espoir ? Que le rayonnement de fond porte la trace d'événements survenus aux parages mêmes du big bang ! Comme le confie Aurélien Barrau, astronome au Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie, à Grenoble : "Nous espérons que nous verrons dans l'image de Planck les traces des ondes gravitationnelles primordiales, émises quelques milliardièmes de milliardièmes de milliardièmes de seconde après le big bang !"  
    La détection de ces ondes, qui témoignent des spasmes violents de l'espace-temps au moment du big bang, signerait le triomphe de la cosmologie moderne et, en passant, de la relativité générale d'Einstein. Elle confirmerait que le modèle de concordance décrit l'ensemble des phénomènes, depuis le big bang jusqu'à aujourd'hui. Depuis le big bang ? Pas tout à fait : "Le big bang se situe à un redshift infini, il ne sera donc jamais atteint", assène Aurélien Barrau.  
       
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