Attachez vos ceintures de sécurité. Le problème des trois corps, une série de science-fiction très attendue de Netflix sortie le 21 mars et adaptée du best-seller chinois du même nom de Liu Cixin, suit l’histoire épique de jeunes et brillants scientifiques qui tentent de sauver un monde qui s’effondre. Les travaux, menés par les créateurs de Game of Thronesévoque pédagogiquement des concepts de physique complexes.
Dans le premier épisode, par exemple, le monde observe un phénomène très étrange, décrit comme un clin d’œil de l’univers pour aider les personnages à accomplir leur mission. Si l’origine de ce phénomène n’est pas développée dans la série, elle est détaillée dans le premier livre de Liu Cixin : l’étrange observation faite par le monde entier est provoquée par des variations anormales du fond diffus cosmologique, un rayonnement qui nous en dit long sur l’atmosphère. origine de notre univers. 20 minutes vous explique ce qui se cache derrière ce nom un peu barbare.
C’est le bruit de fond de l’univers
Sujet très complexe, le fond diffus cosmologique peut se résumer ainsi : « C’est une lumière qui trouve ses origines au tout début de l’univers et qui constitue un vestige du Big Bang, explique Nabila Aghanim, astrophysicienne et cosmologue spécialisée dans l’univers. interprétation du rayonnement fossile, directeur de recherche à l’Institut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay. Cette lumière, qui a une longueur d’onde d’émission dans les micro-ondes et à laquelle nos yeux n’ont pas accès, baigne l’univers entier et nous entoure dans toutes les directions. »
Appelé aussi rayonnement fossile, « car c’est comme un fossile du Big Bang », ou rayonnement 3K, en référence à sa température d’environ 3 degrés kelvin (environ -270°C), il est observable depuis le ciel, « mais le meilleur La meilleure solution est d’utiliser des télescopes spatiaux », note Nabila Aghanim. Nous disposons de détecteurs hypersensibles refroidis à très basses températures qui permettent de mesurer les photons (particules de lumière) de très faible énergie qui se trouvent dans ce rayonnement fossile.
Ces photons ont leur signature, explique notre expert : « Quand on décompose la lumière du rayonnement fossile, on voit que c’est celle d’un corps noir », c’est-à-dire un corps qui absorbe autant d’énergie qu’il en émet, caractéristique de l’univers quand il était très jeune. Tous ces éléments dressent ainsi une sorte de carte d’identité du rayonnement fossile : « Quand on observe ces photons dans toutes les directions, avec à peu près la même intensité et que leur décomposition spectrale est celle d’un corps noir, on sait qu’il s’agit du fond micro-onde cosmique, » résume l’astrophysicien.
C’est la plus jeune lumière de l’univers
Le fond diffus cosmologique a la particularité d’être la plus ancienne image de lumière que l’on puisse obtenir, ce qui correspond à 380 000 ans après le Big Bang. On ne peut pas remonter plus loin car entre le Big Bang et cette « date », « la matière de l’univers, qui est très chaude, est opaque » car ionisée, c’est-à-dire constituée d’électrons et de protons, chargés négativement et positivement. respectivement, explique Nabila Aghanim. Or les photons, donc la lumière, ont une particularité : ils interagissent avec la matière ionisée et, « un peu comme des boules de billard, ils se heurtent à cette matière, ils sont un peu coincés et ne peuvent pas se déplacer en ligne droite à travers l’univers », poursuit l’auteur. astrophysicien.
Mais l’univers s’étend, se refroidit et « lorsque nous atteignons cette époque de 380 000 ans après le Big Bang, sa température est suffisamment basse pour que les électrons et les protons s’assemblent pour former l’atome d’hydrogène, qui est neutre. La matière dans l’univers devient ainsi essentiellement neutre, et à partir de ce moment, les photons peuvent se déplacer dans l’univers en ligne droite et nous atteindre », décrit le cosmologue. Cette première lumière que nous captons est le fond diffus cosmologique, qui « porte les traces de l’univers quand il était très, très jeune », conclut-elle.
Il valide la théorie du Big Bang
Théorisé en 1948 et observé pour la première fois en 1964, le fond diffus cosmologique est une découverte majeure qui conforte la théorie du Big Bang, la plus plausible pour expliquer l’origine de notre univers. Et pour comprendre pourquoi, il faut remonter aux débuts de cette théorie : « On sait, depuis les années 1930, que l’univers est en expansion, c’est-à-dire que les distances en son sein augmentent », explique Nabila Aghanim. Les grands théoriciens de la cosmologie en ont déduit que, si l’on remonte dans le temps, les distances seront de plus en plus petites, et donc le volume dans lequel l’univers est contenu également. Arrive ainsi une période où le volume est très, très petit et où la densité, la pression et la température sont très grandes. C’est ce qui les amène à postuler ce scénario du Big Bang, défini comme l’état de l’univers lorsqu’il était hyperdense et caractérisé par de grandes pressions et températures.
Et à partir de cette hypothèse que l’univers était très dense, très chaud et avec une pression énorme, « les physiciens ont prédit (dans les années 1940) que la lumière qui doit exister, ce fameux fond micro-ondes cosmique, devait avoir un corps noir à spectre », poursuit Nabila Aghanim. Astrophysiciens et physiciens ont donc tenté de mesurer cette lumière et de confirmer qu’elle possédait bien les caractéristiques d’un corps noir. C’est ce qu’a fait le satellite Cobe, qui a donné ses premières données en 1992, marquant ainsi une « avancée importante en cosmologie, car elle C’est la preuve que le scénario du Big Bang tient, confirme l’astrophysicien… Si la décomposition n’avait pas été celle d’un corps noir, alors l’hypothèse selon laquelle le scénario du Big Bang est le plus favorable aurait été totalement invalidée.
On continue de l’observer car il peut encore nous apprendre beaucoup
Si l’on ne peut observer la lumière de l’univers qu’à partir de 380 000 ans après le Big Bang, il est cependant possible d’obtenir des informations sur les tout débuts de l’univers en observant la polarisation de cette lumière, qui correspond à l’orientation de ses circuits électriques et magnétiques. des champs.
En observant ces données, nous avons en effet « accès aux traces des ondes gravitationnelles primordiales », ondes gravitationnelles générées par la déformation de l’espace-temps par la haute densité de matière au moment du Big Bang, explique Nabila Aghanim. « Ces ondes gravitationnelles primordiales perturbent la polarisation de la lumière », résume notre experte, « et ces traces laissées sur place nous apprennent des choses sur le processus de naissance de l’univers », ajoute-t-elle. LiteBird, un nouveau télescope dirigé par les Japonais et auquel participent les Français, est actuellement en cours de développement pour mesurer la polarisation de la lumière issue du rayonnement fossile.
Il a été découvert par hasard
Alors que de nombreux astrophysiciens cherchaient à le détecter, le fond diffus cosmologique a été observé pour la première fois en 1964, par hasard, par Robert Wilson et Allan Pendiaz, ingénieurs chez Bell Telecom. « C’est une histoire complètement folle », s’amuse Nabila Aghanim. Leur laboratoire se trouvait sur le campus de Princeton et, alors qu’ils travaillaient au développement d’une grande antenne radio, ils ont détecté un bruit de fond dont ils ne parvenaient pas à se débarrasser. Ils ont nettoyé, essayé plein de choses, mais ils avaient toujours cette nuisance à la même amplitude », qui équivalait en température à quelques degrés Kelvin.
Par coïncidence, il y avait des astrophysiciens du MIT sur le même campus qui essayaient simplement de détecter le fond diffus cosmologique. Ces chercheurs ont entendu parler du « problème » par Pendiaz et Wilson, et « quand ils ont réalisé que ce fond pouvait correspondre à un rayonnement fossile, ils ont examiné les données de plus près et ont fait cette interprétation qu’il s’agissait du fond cosmique des micro-ondes », dit notre Les deux ingénieurs à l’origine de cette première détection ont également remporté le prix Nobel de physique en 1978 pour leur découverte.
