Je parodie un peu le titre d'un ouvrage de Hubert Reeves afin de discuter des derniers résultats obtenus par la sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) qui, comme son nom l'indique, mesure le rayonnement micro-onde émis dans l'Univers.

L'objectif de cette sonde lancée en 2001, est de mesurer avec une précision inégalée à ce jour, le rayonnement cosmologique (fossile) émis lors du Big bang. WMAP poursuit donc les travaux entrepris avec la sonde COBE , dont les résultats ont valu le nobel de physique à George Smooth et John Mather en 2007 (voir mon billet à ce sujet).

Dans une série de 7 articles qui seront bientôt publiés dans la revue Astrophysical Journal, une équipe internationale de chercheurs présente et interprète les résultats de 5 années d'observations avec WMAP. Les trois principaux éléments inédits sont:

1) De nouvelles indications que l'Univers baigne dans une mer de neutrinos.

2) Des contraintes plus strictes sur la physique du premier trillionième de seconde de l'Univers.

3) Des informations additionnelles sur l'impact des premières étoiles apparues environ 400 millions d'années après le Big bang.

Avant de poursuivre la discussion des nouveaux résultats de WMAP, je vous propose un bref rappel de la théorie du Big bang (vous pouvez aussi consulter un billet précédent à ce sujet). Selon ce modèle, notre Univers aurait commencé son existence il y a 13.7 milliards d'années dans un événement appelé "Big bang". La nature de ce qu'il y avait avant, de même que la physique au moment du big bang (à l'instant T=0) demeurent inconnus et font l'objet de nombreuses spéculations sur lesquelles je ne m'étendrais pas.

Au cours des premières secondes, le taux d'expansion de l'Univers est extrêmenent élevé (on parle d'une phase inflationnaire), et une partie de son contenu, dominé initialement par de l'énergie, se transforme en matière ordinaire (protons, neutrons, électrons) et en matière sombre (dont la nature est encore inconnue à ce jour). Après quelques minutes, une partie de la matière ordinaire a déjà été transmutée en hydrogène, deutérium, hélium et lithium lors d'un épisode de nucléosynthèse primordiale.

Par la suite, et pour les prochaines 380,000 années, l'expansion de l'Univers se poursuit sans aucun événement majeur. Les photons qui remplissent l'Univers interagissent constamment avec les électrons de telle sorte que l'Univers se comporte comme un immense brouillard dans lequel la lumière ne peut circuler facilement. Au fur et à mesure que l'expansion se poursuit, la température moyenne de l'Univers diminue. Lorsque l'Univers atteint un âge de 380,000 ans, sa température moyenne est d'environ 3,000 degrés, les électrons s'associent aux protons pour former de l'hydrogène neutre, et les photons peuvent alors circuler librement. On dit que l'Univers devient transparent. Le rayonnement cosmologique fossile, observé aujourd'hui par WMAP, est un reflet de cette époque lointaine. L'image qui suit, illustre d'ailleurs la distribution de ce rayonnement fossile (initialement émis dans le domaine de la lumière infrarouge et "dilué" par l'expansion pour être détecté dans le domaine des micro-ondes aujourd'hui) observé par WMAP dans tout le ciel.

Les fluctuations de de cette image correspondent à des fluctuations en température de quelques millièmes de degrés - les régions rouges sont un peu plus chaudes, tandis que les bleues sont plus froides. Ces fluctuations correspondent aussi à de faibles inhomogénéités de la densité de la matière (tant ordinaire que sombre). Éventuellement, ces inhomogénéités dans la répartition de la matière donneront naissance aux étoiles et aux galaxies.

La figure qui suit illustre la distribution des fluctuations de la température en fonction de leur taille angulaire sur le ciel (mesurée sur l'image précédente). Les pics (à 1 degré, 0,4 degré et 0,2 degré) donnent des indications sur la géométrie de l'Univers ainsi que sur son contenu. La courbe en rouge correspond au modèle décrivant le mieux les observations. C'est ce modèle qui permet de déduire les trois éléments inédits cités plus haut.

Plus spécifiquement, le premier des 3 pics de la figure contraint la courbure globale de l'Univers; selon le meilleur modèle, la courbure serait nulle (ou plate) et donc la géométrie de notre Univers serait euclidienne, c'est-à-dire la géométrie que l'on apprend à l'école (celle dans laquelle la somme des angles d'un triangle donne 180 degrés).Cette courbure nulle est très difficile a expliquer dans le modèle standard du Big bang. Cependant, le ou les modèles qui incluent une phase appelée "inflation" dans le premier trillionième de seconde d'existence de l'Univers - phase au cours de laquelle l'expansion a augmenté la taille de l'Univers d'au moins 30 ordres de grandeur - produisent une géométrie plate (euclidienne).

Les deux autres pics contraignent les rapports entre les différents constituants de l'Univers (matière ordinaire, matière sombre, neutrinos, énergie sombre, etc.). La figure suivante illustre la proportion relative de ces constituants à deux époques distinctes - aujourd'hui (donc après 13.7 milliards d'années) et lorsque l'Univers est devenu transparent alors qu'il n'était âgé que de 380,000 ans.

Comme on peut le voir, à cette époque lointaine, les neutrinos (créés pendant la phase de nucléosynthèse primordiale) et les photons jouaient un rôle important dans l'évolution de l'Univers tandis que celui de l'énergie sombre était négligeable. L'expansion de l'Univers a renversé les rôles en diluant les photons et les neutrinos (et donc leur énergie) dans un volume beaucoup plus grand. En contrepartie, la contribution de l'énergie sombre (dont certains pensent qu'elle provient du vide!) est devenue graduellement plus importante, jusqu'à dominer presque totalement l'évolution de l'Univers. Le rapport entre la matière ordinaire et celui de la matière sombre est demeuré plus ou moins le même depuis cette époque reculée (soit environ 1 pour 5), mais leur contribution a aussi diminué par rapport à celle de l'énergie sombre.

Ces nouveaux résultats de WMAP s'ajoutent à ceux publiés en 2003 à propos de l'âge de l'Univers et de la contribution de l'énergie sombre.