LE RAYONNEMENT COSMOLOGIQUE
Les faits
Etudiant les ondes hertziennes millimetriques qui proviennent des diverses régions du ciel, on a decouvert en 1965 que l'univers tout entier semblait baigner dans un rayonnement électromagnetique isotrope ( = à peu près partout pareil) dont la répartition en longueur d'onde correspond à ce que serait un rayonnement thermique d'un corps porté à une température de 2,7°K. (Tout corps émet des photons à toutes les longueurs d'onde, avec une majorité dans une certaine longueur, on assimile cette majorité à la chaleur du corps émetteur : plus une matière est chaude, plus la longueur d'onde des photons qu'elle émet est courte).
On voit sur cette représentation la "chaleur" de l'univers : en rouge, le plus chaud, en bleu, le plus froid ( avec un différence 1/1000 °C...)
Pourquoi cela ?
On a vu qu'à la suite du big-bang une formidable expansion a lieu. Le volume de l'univers augmente sans cesse, mais la totalité de la matière présente ne varie pas. Il en résulte donc un abaissement continu de la densité.
La vitesse de libération diminue donc avec le temps. La vitesse de libération est la vitesse nécessaire à un corps pour pouvoir quitter une masse. Plus une masse est importante, plus la gravité exercée sur des corps passant à proximité est grande et donc plus la force qu'il faut exercer sur un corps pour lui faire quitter le champ de gravitation est grand. Il faut, par exemple, qu'un corps ait une plus grande vitesse pour quitter l'attraction solaire que lunaire.(Dans notre cas, la masse ne varie pas mais est de moins en moins attirante car de plus en plus éloignée.)
Sans doute allez-vous me demander pourquoi cette étrange relation. Cela a, en fait, un rapport avec son énergie : plus la vitesse d'une particule est grande, plus l'énergie cinétique de cette même particule est grande, selon la formule Ec=1/2mv² (avec m = masse et v = vitesse). C'est cette énergie qui sera necessaire au "départ" de la particule
Les premières particules à pouvoir s'échapper de cette "soupe" de matière primordiale sont donc celles dont la vitesse est la plus élevée. Or d'après Einstein, et sa théorie de la relativité, rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière : les particules les plus rapides sont donc les photons (particules de lumière)(c = 300 000km/s). Ce sont donc eux les premiers sur la ligne de départ, ceux qui pourront s'echapper les premiers.
De plus, entre l'instant t0 et 300 000 ans après le big-bang, la température est superieure à 3000°K (c'est à dire à environ 2700°C),cela signifie, par définition de la chaleur, que les particules sont très agitées. Tellement agitées que les atomes ne peuvent se former, c'est à dire que les électrons ne peuvent se lier aux noyaux, eux-mêmes formés lors de la nucléosynthèse ( de t = 1min à t = 3min, voir chronologie). Les photons sont alors retenus par les électrons, qui les absorbent pour les transformer en énergie, et ne peuvent donc s'échapper. Environ 300 000 ans après le big-bang, la température chute en dessous de 3000°K, les atomes peuvent alors se former, et ainsi liberer les photons.
Ces deux actions conjuguées laisse les photons s'echapper et, liberés, ils forment la "première lumière" de l'univers.
Celle-ci s'échappe dans toutes les directions à une température de 3000°K, c'est à dire sous forme de rayons gamma. Mais, à cause de cette même expansion qui créé le décalage vers le rouge, les photons voient leur longueur d'onde diminuer ( = chaque photon s'éloigne petit à petit de son prédecesseur ) jusqu'à atteindre un rayonnement de 3°K ( = c'est à dire qu'ils atteignent la fréquence de photons émis par un corps à 3°K soit à -270°C)
Big-bang univers noir 300 000 ans : les photons "s'échappent"
Fréquence des photons en fonction du temps
Le rayonnement que l'on détecte aujourd'hui est celui, vieilli, de cette première lumière : il apparaît sous forme d'ondes radios, de longueur d'onde de 1 à 2 mm.
En quoi est-ce, finalement, une preuve du big bang ?
Si le rayonnement à aujourd'hui une température de 3°K, c'est qu'il était, à son émission, beaucoup plus chaud (1000 fois), c'est à dire qu'il a été émis par un matière beaucoup plus chaude, beaucoup plus chaude signifie beaucoup plus dense(un milliard de fois) ( car pour qu'une matière se réchauffe d'elle-même, il faut que les élements la composant s'entrechoquent plus souvent, donc qu'ils soient plus rapprochés.). Ces conditions ne peuvent être réunies que selon l'hypothèse du big bang.
De plus le rayonnement est, à grande echelle, uniforme ( les fluctuations ne sont que de l'ordre de 1/1000° de degré celsius ), cela implique que l'univers est de même densité, toujours à grande echelle.(comme le prevoit la théorie du big bang).
Enfin, les (infimes) fluctuations,appelées anisotropies, que l'on voit sur la représentation du rayonnement cosmologique sont sans doute la raison de l'existence des galaxies. En effet, les parties les plus chaudes sont les plus denses, donc contenant le plus de matière. Par effet de gravitation, la matière va s'agglutiner autour de ces régions plus dense. A long terme cela donne les galaxies.
P.S. : Où que l'on se trouve, on est entouré d'une sphère de rayons cosmiques. Il y a donc un univers observable, au delà duquel on ne peut pas voir. Celui d'aujourd'hui a un rayon de 15 milliards d'années lumière : Les zones les plus lointaines que nous puissions observer sont apparues 300 000 ans après le big bang : date de la libération des premiers photons.