Rayonnement à 3K

La cosmologie moderne repose sur le principe cosmologique. Il suppose que l'univers est homogène et isotrope à de grandes échelles. Ainsi, muni de ce principe, il est possible de décrire théoriquement l'évolution d'un univers dont la dynamique serait gouvernée par la gravitation. On trouve alors que les seuls univers possibles ne sont pas stationnaires (ce qu'Einstein avait néanmoins rendu possible grâce à la constante cosmologique) et que les galaxies ne peuvent pas se former.
            L'Univers est stucturé sur des échelles allant de la dizaine de kpc à la centaine de Mpc. Les premières structures visibles sont les galaxies puis les amas de galaxies, les superamas de galaxies et enfin la structure en éponge. Arrivés à cette dernière échelle, les galaxies semblent réparties sur une structure en éponge constituée de grands volumes vides plus ou moins sphériques. Leur diamètre est d'environ 70 Mpc et leur surface est matérialisée par les galaxies sur une épaisseur de 5 Mpc.
            On s'attend toutefois à trouver une distribution homogène à l'échelle du Gpc (Giga parsec, un milliard de parsecs).

Quels processus physiques ont mené à une telle organisation ?

            Le modèle physique adopté par une grande majorité de physiciens pour décrire l'univers est celui du "Big Bang chaud". Ses multiples succès lui ont même conféré le titre de "modèle standard ".Ce modèle, basé sur le principe cosmologique, suppose que l'univers est rempli d'un fluide homogène constitué de rayonnement (photons et neutrinos), de baryons (protons et neutrons, les constituants des noyaux des atomes) et d'électrons.
            Les observations confirment que l'univers est actuellement en expansion. Au cours de cette expansion, son volume spatial augmente, sa température baisse. En remontant le cours du temps par la pensée, ce processus s'inverse. L'univers proviendrait ainsi d'une singularité géométrique où régnerait une pression, une densité d'énergie et une température infinies (d'ou le nom de "Big Bang chaud"). Le modèle propose un récit décrivant l'univers d'une façon relativement satisfaisante, à partir du temps extraordinairement petit de 10^-43 secondes ; c'est le temps de Planck, temps à partir duquel la physique actuelle est valide.
            La matière telle que nous la connaissons est née trois minutes après le Big Bang, au cours d'un processus appelé nucléosynthèse primordiale. Lors de ce processus, les noyaux légers se forment: les protons et neutrons se lient par la force nucléaire en noyaux légers comme l'hydrogène, le deutérium, l'hélium, le lithium. Les neutrinos sont déjà découplés du reste de l'univers et ne joueront plus aucun rôle par la suite. Quant aux photons, ils interagissent principalement avec les électrons rebondissant dessus comme des boules de billard qui s'entrechoquent. La fréquence de ces interactions est telle que les photons ne peuvent pas se propager librement. L'univers est donc un corps opaque qui n'émet pas de lumière. On dit que c'est un "corps noir", en équilibre thermique.
 

            Beaucoup plus tard, alors que le Big Bang est un événement déjà vieux de six cent mille ans, les électrons se lient aux noyaux(composés de baryons) pour former des atomes. Les interactions avec les photons se font alors beaucoup plus rares et ces derniers sont désormais libres. Ils sont aujourd'hui détectés sous la forme d'un rayonnement d'une température de 3K (environ -270°C) et dont la longueur d'onde associée est millimétrique. La densité numérique de ces photons est d'environ 400 par cm3. Ce rayonnement est plus connu sous le nom de rayonnement fossile, rayonnement de fond cosmologique ou encore rayonnement à 3K.
 

            L'époque d'émission de ces photons, événement très particulier de l'histoire de l'univers, est celle de la "recombinaison" pour les baryons et les électrons, et du découplage pour les photons. L'univers ne connaît alors plus de phase remarquable jusqu'à la formation des galaxies.
            Il est possible de mesurer la température de cette radiation (directement liée à son intensité) dans toutes les directions et nous obtenons l'image suivante :