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L’écho du Big Bang

D'où vient l'Univers? Nous savons aujourd'hui que l'Univers tel que nous le connaissons est issu d'une phase extraordinairement dense et chaude, appelée le Big Bang. Cette époque de tous les superlatifs, dont le détail est mal connu, date d'environ 13,8 milliards d'années et a laissé une trace dans le ciel, sous la forme d'un «écho lumineux», pâle reflet refroidi de la fournaise aveuglante dans laquelle baignait alors l'univers jeune.

Qu'est-ce-que c'est?

L'Univers est en expansion. Cela signifie que les galaxies qui le parsèment s'éloignent les unes des autres. Si à l'inverse on remonte dans le temps, l'Univers était plus dense par le passé. Et qui dit plus dense dit aussi plus chaud et donc plus lumineux. Ainsi, l'Univers jeune baignait-il dans un rayonnement extraordinairement intense.
Mais du fait de l'expansion de l'espace, ce rayonnement s'est dilué et refroidi, rapidement d'abord, puis plus lentement. D'une température inimaginablement élevée, on est passé en une seconde seulement à 10 milliards de degrés. Une heure après, alors que les premiers noyaux atomiques s'étaient déjà formés, elle était descendue à un peu plus d'une centaine de millions de degrés. Et 380 000 ans plus tard, elle n'était plus que de 3000 degrés. Mais à ce moment-là un événement important s'est produit. L'Univers très jeune est tellement dense que la lumière ne peut guère s'y propager. Mais en se diluant, la matière devient de moins en moins dense, et de façon assez abrupte, cesse de gêner la propagation de la lumière. La lumière, jusqu'alors prisonnière de l'emprise de la matière a donc, à partir de ce moment-là, pu voyager librement sans presque aucune altération jusqu'à notre époque. Détecter aujourd'hui cet écho lumineux du Big Bang, c'est donc, presque au sens propre, reconstituer une photographie de régions lointaines de l'Univers vues telle qu'elles étaient 380 000 ans après le Big Bang.

Comment l'étudie-t-on?

L'écho lumineux du Big Bang chauffe aujourd'hui encore l'ensemble de l'Univers. Mais il est tellement dilué et refroidi que la température de l'Univers est désormais très basse: -270,42°C, soit moins de trois petits degrés au-dessus du zéro absolu (-273,15°C). Et la lumière correspondant à un rayonnement aussi froid n'est bien sûr pas visible à l'œil nu, ni avec un télescope classique. Mais l'étudier est, en principe, assez simple pour peu que l'on dispose de l'instrumentation appropriée, ce qui n'est pas forcément difficile: une simple antenne parabolique de télévision peut faire l'affaire! Mais pour les scientifiques, ce sont les petits détails qui comptent. Quand l'Univers a émis cet écho lumineux du Big Bang, la matière était encore répartie de façon presque parfaitement uniforme dans l'univers. Et ce qui importe, c'est ce «presque». Car si la matière avait été parfaitement uniforme, elle n'aurait pas pu se différencier peu à peu pour former ensuite les splendides structures des galaxies que nous connaissons. Dès cette époque, il devait donc exister dans l'univers des zones un peu plus denses et donc un peu plus chaudes à partir desquelles se formeraient des galaxies. Ce sont ces petites différences de température que l'on cherche à observer dans cette première lumière.
Pour le faire avec la précision voulue, il est nécessaire d'observer cette lumière depuis l'espace. Le satellite européen Planck a été conçu dans ce but. Lancé en 2009, il a pendant plus de deux ans observé ce rayonnement sans relâche et l'a cartographié avec une précision sans précédent.

Qu'est-ce qu'il nous apprend?

L'Univers encore jeune au moment de l'émission de cet écho lumineux est très légèrement inhomogène, de sorte qu'il se comporte exactement comme s'il était parcouru d'immenses vibrations. Or, nous savons bien que la façon dont un objet vibre, c'est-à-dire le son qu'il émet, nous renseigne sur sa structure: selon le bruit que fait un mur quand on tape dessus, on sait s'il est en plâtre, en brique ou en bois.
En analysant le rayonnement dans lequel l'Univers baignait alors, on peut reconstituer la façon dont les vibrations se propageaient en son sein, et donc de quoi il était composé: de matière ordinaire, bien sûr, de son propre rayonnement, d'autres particules élémentaires connues, appelées neutrinos, mais aussi d'une substance inconnue, la matière noire. Avec les données du satellite Planck, les équipes de l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP) et de l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS) peuvent reconstituer les abondances relatives de chacun de ces constituants avec une précision de l'ordre de 1 %, et par suite, on peut également obtenir d'autres informations sur l'histoire de l'Univers, comme son âge ou bien l'époque où sont nées les premières étoiles.

Ce qu'il révèle aussi

Mais ces inhomogénéités dans l'Univers jeune ne vont pas de soi: il faut bien, pour qu'elles soient là, qu'il y ait eu un processus qui les ait fabriquées. Or, les lois de la physique connue ne laissent pas penser qu'un tel processus soit possible. C'est donc que des phénomènes encore inconnus ont été à l'œuvre dans l'Univers primordial et qui ont alors façonné l'Univers de sorte qu'il a par la suite évolué jusqu'à devenir ce que nous en observons. L'écho lumineux du Big Bang est donc une fenêtre unique sur des événements très anciens qui ont eu lieu dans des conditions de température, de pression ou de densité totalement hors de portée de l'expérimentation directe.
Les scientifiques pensent ainsi que les petites variations observées dans l'écho lumineux du Big Bang nous révèlent l'existence d'un événement extrêmement violent qui s'est produit au tout début de l'histoire du Big Bang. Pendant une infime fraction de seconde, alors que la température de l'univers avoisinait les... 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 degrés, l'Univers aurait connu une phase d'expansion particulièrement violente appelée « inflation », qui aurait façonné la distribution de la matière en son sein, et lui aurait ensuite permis d'évoluer dans l'état que nous connaissons.