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    Le rayonnement 3K - Le mur du feu  
    René Cuillierier - Ciel & Espace n.358 - 2000-03-01      
    L'Univers aurait dû nous enserrer dans une monstrueuse corolle de feu.
Au lieu de cela, il baigne dans une mer noire et glacée de photons,
le fameux rayonnement 3 K.
La faute à l'expansion, aux quanta et à une mystérieuse courbe en cloche…
 
    Produits de 10 milliards d'années d'évolution, les êtres humains ont l'art de se poser quantité de questions, dites existentielles, dont le fameux : "D'où venons-nous ?" Depuis les années 1920, nous savons que l'Univers est en train de se diluer. La matière qu'il contient est emportée par une expansion universelle. Chercher nos origines revient à se repasser le film à l'envers, c'est-à-dire à voir cette matière se re-concentrer progressivement et… se réchauffer, selon un principe analogue à celui d'une cocotte-minute. Bien que nous ayons manqué le début, l'Univers a dû vraisemblablement être très dense, très chaud, et très lumineux.  
    L'air qui nous entoure est un gaz, un joyeux bazar de molécules et d'atomes (que nous pouvons nous représenter comme de petites billes) qui s'agitent en tous sens au gré d'innombrables carambolages avec leurs voisins. Toute cette agitation témoigne d'une énergie certaine, caractérisée par un seul nombre : la température. Parmi ces billes, il y en a de très rapides, d'autres qui le sont un peu moins, des pépères et des presque immobiles. Si, pour une température donnée, nous traçons une courbe donnant la répartition des molécules en fonction de leur bougeotte, elle aura une jolie forme en cloche : le gros du bataillon se concentre autour d'une vitesse d'agitation moyenne, et il y existe peu de très véloces et peu de grosses tortues. Les chocs entre elles se faisant au hasard, l'état de ces dernières est dû à d'improbables concours de circonstances. Les premières n'ont reçu que très peu de coups frontaux et ont souvent été, à l'inverse, tapées dans le dos dans le sens de leur mouvement. Tout le contraire des secondes qui, à chaque fois qu'une collègue les a poussé dans un sens, ont toujours trouvé une chipie pour venir les contrer.  
    Atomes et molécules sont faits de particules chargées électriquement (les électrons portent des charges négatives et les protons des charges positives). Selon les physiciens du XIXe siècle, ces petites choses, lorsqu'elles s'agitent, se comportent comme de petits courants électriques alternatifs, comme des antennes en somme. Nous devons alors nous attendre à ce que chacune de ces billes se débarrasse d'une partie de son énergie sous forme d'une onde électromagnétique. D'une certaine manière, l'atome excité fait des "ronds dans l'éther", cette substance qui, croyait-on, portait les ondes lumineuses comme l'eau porte les vagues créées par un caillou jeté dans une mare. L'onde électromagnétique n'est rien d'autre qu'un rayonnement lumineux. Il est dit radio si la longueur d'onde (l'espacement entre deux crêtes de l'onde) est de l'ordre du centimètre, il est visible si elle est de quelques dixièmes de micromètres, et ultraviolet si elle est encore plus petite. La quantité d'énergie transportée par ces ondes était censée dépendre de deux paramètres : l'amplitude (la hauteur des crêtes des "vagues") et la longueur d'onde. Toutes choses étant égales par ailleurs, l'énergie est d'autant plus grande que la longueur d'onde est courte, et la crête, élevée.  
    Il est clair qu'un atome ne peut pas émettre plus d'énergie qu'il n'en contient. Cependant, les physiciens l'autorisaient à produire dans l'éther des "ronds" de longueur d'onde aussi petite qu'il le désirait, à condition de ne pas trop faire de vagues, autrement dit de limiter la hauteur des crêtes afin que l'énergie soit conservée. Or, un bocal rempli d'air contient des milliards de milliards de milliards, etc, d'atomes. Si nous additionnons toutes les possibilités que chacun d'entre eux a d'émettre de l'énergie dans les courtes longueurs d'onde, cela reviendrait presque à multiplier un infini (le nombre d'atomes) par un autre infini (le nombre possible de petites longueurs d'onde). Résultat : la quantité totale d'énergie larguée par un gaz dans les courtes longueurs d'onde devrait être infinie. C'était une vraie catastrophe, dite "ultraviolette", face à laquelle les physiciens ne faisaient plus du tout les malins.  
    En 1900, l'Allemand Max Planck remit de l'ordre dans tout ça. Il supposa que l'énergie ne s'échappait pas sous forme d'ondes continues, mais de paquets, les quanta (singulier : quantum), plus tard baptisés photons. Pour une longueur d'onde donnée, l'énergie ne peut être lâchée que par paquets d'une certaine taille, inversement proportionnelle à la longueur d'onde. Ni plus petits, ni plus gros. De même, un atome ne pourra pas émettre dans l'ultraviolet, par exemple, si le plus petit quantum correspondant à ces longueurs d'onde est déjà plus gros que l'énergie qu'il a en magasin. Un atome très énergétique sera peut-être capable de lâcher un photon UV (ceux qui peuvent s'en payer un X ou un gamma sont encore plus rares en vertu de la répartition en cloche vue plus haut), mais s'il le fait, il sera "vidé" et mettra les pouces. C'est de cette façon que ce mécanisme évite la "catastrophe ultraviolette".  
   

La théorie de Max Planck (1858-1947) est à l'origine de la physique quantique. L'atome échange de l'énergie sous forme de grains, dont la valeur ne peut être qu'un multiple entier du produit de la fréquence, f, par la constante de Planck, h.

 
    Selon la théorie de Planck, le rayonnement émis par un matériau chaud peut être considéré comme un "gaz" de photons plutôt qu'un paquet d'ondes. Ils se joignent au joyeux ballet des molécules et atomes, et pour une température donnée, leur population se répartit selon la même courbe en cloche, avec un maximum de moyennement énergétiques pour un minimum d'extrémistes.  
    Mais revenons à notre grave questionnement. Regarder loin dans l'Univers, c'est regarder dans le passé. La lumière se déplace à vitesse finie, et celle émise par les étoiles que nous voyons à l'oeil nu a longtemps voyagé avant de nous atteindre. Nous les voyons telles qu'elles étaient il y a quelques dizaines d'années, ou quelques siècles. En observant encore plus loin, nous voyons l'Univers tel qu'il était il y a encore plus longtemps… jusqu'à ce que nous tombions sur l'époque où il n'était qu'un plasma. C'est-à-dire un gaz porté à des températures extrêmes (4'000 degrés environ) et dont les électrons ont été arrachés. C'est un fluide de charges électriques, exactement comme le Soleil. Dans cet état, un gaz est opaque (essayez donc de regarder à travers le Soleil !) contrairement aux gaz "froids" comme l'air. Et il nous cache tout ce qui a pu se passer au-delà, il y a encore plus longtemps.  
    Le fond du ciel, dans toutes les directions, aurait dû ressembler à un mur de feu presque aussi lumineux que le Soleil. Depuis la Terre, nous devrions avoir l'impression d'être au coeur d'une immense coquille sphérique brûlante… Une vision de cauchemar, dont nous a sauvés l'expansion de l'Univers.  
    Grâce à elle, ce torride pays gazeux s'éloigne de nous, dans toutes les directions, à une vitesse vertigineuse. S'épuisant à nous rattraper, les photons qu'il a produits nous frappent moins fort, ils sont moins énergétiques que lorsqu'ils ont été émis. Au lieu de recevoir des photons rouges (par exemple), nous recevons des photons radio. Ils sont tous décalés de la même façon vers les faibles énergies, et leur population globale continue à se répartir sur une courbe en cloche très propre : celle d'un gaz qui a une température de 3 K (3 degrés au-dessus du zéro absolu, c'est-à-dire de l'immobilité complète des atomes).  
    Quelle que soit la direction dans laquelle les astronomes regardent, ils perçoivent le rayonnement caractéristique d'un corps à 3 K : c'est le fond de rayonnement cosmologique découvert (par accident) en 1964. Il prouve que nos supputations quant aux débuts du film sont correctes, au moins jusqu'à l'époque où l'Univers était tellement dense et chaud qu'il était opaque. Et qu'y a-t-il derrière le grand rideau de feu ? Hélas, hélas, cette page tire à sa fin…  
Remarque   Plus nous regardons loin dans l'espace, plus nous remontons le temps. Une étoile située à 1000 années-lumière se montre à nous telle qu'elle était il y a 1000 ans.  
       
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