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Ecole Nationale Supérieure des Sciences de l'Information et des Bibliothèques Université Claude Bernard Lyon 1 43, boulevard du 11 Novembre 1918 69622 VILLEURBANNE CEDEX DESS en Ingénierie Documentaire Rapport de Recherche Bibliographique Rayonnement 2,73 K et Théorie Standard ABDEL ADIM Leïla Sous la direction de : Monsieur TAUTH Théodore Ingénieur - Chercheur Institut de Physique Nucléaire Université Claude Bernard Lyon 1 Année 1999-2000 SOMMAIRE RÉSUMÉ -------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 MÉTHODOLOGIE--------------------------------------------------------------------------------------- 5 1. Etude préliminaire du sujet ---------------------------------------------------------------------- 5 2. Etude de la 1ère partie ----------------------------------------------------------------------------- 5 3. 2.1. Choix des mots clefs--------------------------------------------------------------------------- 7 2.2. Interrogation des bases de données ---------------------------------------------------------- 8 2.3. Recherche dans les bases de données gratuites sur Internet----------------------------- 13 2.4. Recherche sur Internet------------------------------------------------------------------------ 16 2.5. Bilan des références obtenues. -------------------------------------------------------------- 18 Evaluation des coûts et du temps de recherche ---------------------------------------------- 20 SYNTHÈSE ----------------------------------------------------------------------------------------------21 1. Introduction [1] ----------------------------------------------------------------------------------- 21 2. Historique [13,14]--------------------------------------------------------------------------------- 22 3. Le fond diffus cosmologique [18] -------------------------------------------------------------- 22 4. MESURES [20-21] ---------------------------------------------------------------------------------- 24 5. Caractéristiques et conséquences [27] --------------------------------------------------------- 24 6. Conclusion [36]------------------------------------------------------------------------------------ 28 BIBLIOGRAPHIE UTILISÉE DANS LA SYNTHÈSE ------------------------------------------29 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES------------------------------------------------------------34 1. Articles de journaux ------------------------------------------------------------------------------ 34 1.1. Satellites --------------------------------------------------------------------------------------- 34 1.2. Ballons ----------------------------------------------------------------------------------------- 35 1.3. Expériences terrestres ------------------------------------------------------------------------ 36 2 1.4. 2. 3. Mesures et Observations générales --------------------------------------------------------- 38 Conférences et rapports de congrès------------------------------------------------------------ 39 2.1. Satellites --------------------------------------------------------------------------------------- 39 2.2. Ballons ----------------------------------------------------------------------------------------- 40 2.3. Expériences terrestres ------------------------------------------------------------------------ 40 2.4. Mesures et observations en général --------------------------------------------------------- 41 Thèses ----------------------------------------------------------------------------------------------- 42 3 Résumé Rayonnement à 2,73 K et Théorie Standard Résumé : Le fond diffus cosmologique est l’une des preuves majeures de la Théorie Standard. Plusieurs expériences sont en cours, qui permettront une détermination plus précise des fluctuations du rayonnement fossile, fournissant ainsi des informations précieuses sur un nombre important de paramètres cosmologiques. Descripteurs : Fond diffus cosmologique, rayonnement fossile, Théorie Standard, expériences, mesures, observations Cosmic microwave background and Standard Theory Abstract : Ethical problematics is relevant because it is part of the original bases of journalists’professionnal identity. The semiotic analysis of SNJ’speeches as historical marks of journalists’professionnal identity building, is a good help for understanding of endogenous reasons of the identical crisis and leads to the question of new identification frame generated by the general tendancy of deregulation. Keywords : Cosmic microwave background, Standard Theory, experience, results, measurements, observations 4 Méthodologie 1. Etude préliminaire du sujet La culture scientifique acquise lors de mon cursus m’a permis de me remémorer les principes de base des principales théories de la cosmologie moderne. Ainsi, je n’ai pas eu de mal à comprendre le sujet et la majorité des documents qui s’y rapportaient. La littérature sur ce sujet étant abondante, il a fallu limiter la recherche suivant les thèmes abordés. Le sujet se décompose en réalité en deux parties : 1ère partie : une vue d’ensemble sur l’état des connaissances sur le fond diffus cosmologique : comment a-y-il était dé couvert, qu’est-ce qu’il représente, à quoi est-il du. 2ème partie : un aperçu sur les expériences – passées, présentes et à venir effectuées sur le rayonnement fossile et les résultats obtenus et escomptés. Suivant les parties, la méthodologie de recherche n’est pas identique car les besoins ne sont pas les mêmes. 2. Etude de la 1ère partie Pour cette partie, M. Tauth m’a recommandé des monographies et des articles de journaux scientifiques. Il m’a indiqué une bibliographie de base comportant des articles originaux des scientifiques qui ont contribué de près ou de loin à la l’étude du rayonnement fossile. Il m’a aussi suggéré la consultation de certains ouvrages scientifiques d’un assez haut niveau. 5 Le sujet relevant de l’astrophysique et de la physique, les mots clefs furent assez faciles à trouver au départ. Théorie Standard cosmic microwave background isotropie homogénéité Une première interrogation a montré que le sujet ainsi formulé donnait des résultats médiocres. Les termes Théorie Standard, isotropie et homogénéité introduisaient beaucoup de bruit alors qu’une recherche uniquement basée sur l’expression « cosmic microwave » background donnait des milliers de réponses. De plus, cette expression n’était pas la seule utilisée. En effet, outre les initiales CMB, les expressions « cosmic background radiation », «background radiation», « microwave radiation » et « radiofrequency cosmic background ». En français aussi, plusieurs mots sont utilisés dans la littérature : « rayonnement fossile », « fond diffus cosmologique », « rayonnement à 3 K », « corps noir cosmologique », « corps noir fossile ». Donc, après la 1ère interrogation sur Internet et sur Dialog, il est apparu que le nombre de références était très nombreux. Consulter les milliers de pages Web trouvées avec les mots « cosmic microwave background » était impossible. De même, l’interrogation de Pascal a donné plus de 200 références, ce qui était ingérable. Aussi, il a été décidé de se limiter aux monographies et à quelques articles scientifiques. En dehors des quelques références fournies par mon commanditaire , j’ai essayé de trouver des ouvrages de vulgarisation scientifique. Ma connaissance de cette littérature m’a beaucoup aidée au départ. Après, la bibliographie contenue dans ces ouvrages m’a permis d’aiguiller mes recherches. L’accès à ces documents s’est fait de deux manières : 6 M. TAUTH m’a fourni certains documents, notamment ceux qui étaient relativement plus anciens pour que je puisse me les procurer facilement par moimême la bibliothèque universitaire de Lyon 1 et la bibliothèque municipale de La Pardieu possédaient les autres ouvrages, que j’ai pu les emprunter sans difficulté. Le plus long ne fut pas la recherche et la localisation de ces ouvrages mais leur consultation. 1.3 E TUDE DE LA 2 ÈME PARTIE La 2ème partie étant plus ciblée, il a été possible de trouver des articles scientifiques et des pages web intéressants sans être noyée sous une trop grande masse d’information. De plus, cela permet de voir l’évolution des recherches quasiment en temps réel, du fait que les chercheurs mettent presque tous leurs travaux sur le Net sous forme de preprint. 2.1. Choix des mots clefs Devant la multitude des réponses, le sujet fut précisé. Le côté expérimental de la recherche i.e. les résultats des expériences passées et à venir fut approfondi. Les nouveaux mots clefs ainsi définis étaient : COBE or cosmic background explorer experience or experiment result measurement 7 2.2. 2.2.1. Interrogation des bases de données Choix des bases de données Pour savoir quelles bases étaient adaptées à mon sujets parmi celles proposées par DIALOG, j’ai sélectionné la fonction Dialindex en précisant le domaine allphys. Le domaine se limitait pour l’occasion à : S cosmic microwave background Elle était volontairement imprécise de manière à avoir une bonne présentation des bases susceptibles d’être interrogées. 14 bases ont été sélectionnées par DIALOG. Après avoir lu leurs descriptifs, j’en ai choisi 5. De plus, suite au cours de M. Lardy sur Internet, j’ai recherché des bases de données gratuites sur Internet Pour cela, j’ai utilisé 2 sites : le site de l’URFIST (http://urfist.univ-lyon1.fr/gratuits/) et la gateway de l’université Calvin (http://www.calvin.edu ). 3 bases se sont révélées intéressantes. En dernier, j’ai consulté la, base d’articles de l’INIST, qui est gratuite et accessible sur Internet. 2.2.2. Présentation des bases retenues sur Dialog INSPEC Numéro sur le serveur DIALOG : 2 Producteur : Institution of Electrical Engineers Domaines : physique, électronique, ingénierie nucléaire, ingénierie électrique, informatique, IA, technologie de l’information… 8 Sources : 4300 revues, 2000 actes de conférences, rapports, thèses Volume : 5.8 millions en 1998 Mise à jour : hebdomadaire Période couverte : depuis 1969 SciSearch Numéro sur le serveur DIALOG : 434 Producteur : Institute for Scientific Information Domaines : tous les domaines des sciences, de la technologie et de la biomédecine Sources : 4500 journaux dans les principaux domaines scientifiques et techniques Volume : 16.1 millions en 1998 Mise à jour : hebdomadaire Période couverte : depuis 1974 SPIN Numéro sur le serveur DIALOG : 62 Producteur : American Institut of Physics Domaines : géophysique, astronomie, astrophysique, physique appliquée, physique nucléaire Sources : journaux dans les domaines scientifiques et compte-rendus de conférences. Volume : 765000 en 1998 Mise à jour : bimensuelle Période couverte : depuis 1975 9 Aerospace Database : Numéro sur le serveur DIALOG : 108 Producteur : the American Institute of Aeronautics and Astronautics et la NASA Domaines: recherche appliquée en aéronautique, astronautique et sciences spatiales et les applications en chimie, géosciences, physique, communication et électronique. Sources : livres, rapports, compte-rendus de conférences de 40 pays. Volume : 2.17 millions en 1998 Mise à jour : mensuelle Période couverte : depuis 1962 PASCAL Numéro sur le serveur DIALOG : 144 Producteur : INIST-CNRS Domaines : physique, chimie, sciences de la vie, sciences appliquées et technologie, sciences de la Terre, sciences de l’information Sources : articles de journaux (93 %), thèses, actes de congrès, rapports techniques, monographies, brevets Volume : 11.83 en 1998 Mise à jour : mensuelle Période couverte : depuis 1973 10 2.2.3. Présentation des bases retenues sur Internet ARIBIB ARI Bibliographical Database for Astronomical References <URL : http://www.ari.uni-heidelberg.de/cgi-bin/aribib/aribib > Producteur : Astronomisches Rechen-Institut Heidelberg et Institut of Electrical Engineers Domaines : astrophysique et astronomie Source : toutes la littérature en astrophysique et astronomie et dans les domaines voisins Date de dernière mise à jour : décembre 1999 Période couverte : depuis 1969 Astrophysics Data System (ADS) Article Service alimentée par la NASA <URL : http://cdsads.u-strasbg.fr/ads_articles.html > Cette base propose 4 services : des journaux en lignes des compte-rendus de conférences une revue de sommaire des abstracts d’articles Cet dernier permet l’accès à 4 bases qui contiennent plus d’un million d’articles en astronomie, astrophysique, instrumentation, physique et géophysique Department of Energie Reports Bibliographic Database <URL : http://apollo.osti.gov/waisgate/gpo.html > Contient des notices de rapports scientifiques et techniques de janvier 1994 à aujourd’hui. La mise à jour est hebdomadaire. 11 Les principales sources sont le National Technical Information Service et le Government Printing Office. article@inist : Le catalogue des Articles et Monographies du Fonds INIST <URL : http://services.inist.fr/public/fre/conslt.htm > Plus de 5 millions de notices bibliographiques référencées : d'articles, de monographies, de rapports, de congrès...avec une mise à jour uoti quotidienne. 2.2.4. Recherche sur CD-ROM Le cd-rom Myriade Les données de ce cd-rom proviennent du Catalogue Collectif National des Publications en Séries et comportent 289000 titres de périodiques. Il permet de localiser des périodiques dans les bibliothèques universitaires françaises. Ainsi, la plupart des périodiques dont les articles étaient les plus intéressants se trouvent à Lyon ( à la BU de Lyon 1, à la bibliothèque de l’Institut de Physique Nucléaire, à la bibliothèque de l’Observatoire de Lyon) ou service inter établissement de coopération documentaire section science à Grenoble. Doc thèse Les données de ce CD-rom sont tirées de la base de données en ligne Téléthèse qui comporte 340000 notices. Il contient toutes les thèses françaises et les localise. La recherche s’est effectuée sur le champ mots clefs anglais avec l’expression « cosmic microwave background ». NB : Je voulais consulter le cd-rom SIBIL qui est un catalogue partagé par 25 bibliothèques universitaires et qui permet de trouver les ouvrages relatif à un 12 thème disponibles dans les BU françaises. La bibliothèque de l’ENSSIB ne l’ayant plus car il doit être remplacé par le S.U ( Système Universitaire qui doit regrouper BNOPAL, Sibil et OCLC), je suis allée sur le site du catalogue SIBIL http://www.rsf.cnusc.fr:8021 2.3. Recherche dans les bases de données gratuites sur Internet Internet étant en libre service à l’ENSSIB, on peut l’utiliser sans compter. Aussi ai-je commencé à interroger les bases avec l’expression « cosmic microwave background » ou le mot « COBE ». En lisant les abstracts de quelques articles, j’ai découvert d’autres descripteurs utilisés dans la littérature scientifique. Cette interrogation m’a permis de gagner du temps lors de l’interrogation de DIALOG car j’ai pu définir tous les mots clés à utiliser. 1 ère interrogation : Bases 1ère équation interrogées ARIBIB Cosmic Nb de 2ème équation Nb références références trouvées trouvées 527 COBE 429 1429 COBE 840 81 COBE 4 38 COBE 19 de microwave background ADS Cosmic microwave background DOE Cosmic microwave background article@inist Cosmic 13 microwave background Il est clair au vue de ces résultats qu’il faut préciser la recherche surtout pour les deux premières bases. Dans ARIBIB, l’interrogation ne se fait que sur les mots du titre. De plus, il n’y a pas de résumé de l’article, ce qui limite son intérêt. Mais bien que les informations ne sont pas très développées, cela peut être intéressant de regarder les titres pour voir quels sont les thèmes abordés. Dans ADS ainsi que dans DOE, l’interrogation se fait sur tout le texte. De plus, on peut consulter le résumé de chaque article. 14 2ème interrogation : Bases 1ère équation interrogées ARIBIB CMB Nombre de 2ème équation Nombres références références trouvées trouvées and 20 COBE de CMB and ( 47 measurements or observations)) ADS CMB and 119 COBE CMB and ( 103 measurements or observations) DOE CMB and 4 COBE CMB and ( 83 measurements or observations)) Article@inist COBE 19 CMB 38 A la lecture de quelques résumés d’articles, il est apparu que les 2 dernières équations n’étaient pas vraiment pertinentes. En effet, elles introduisent du bruit. Ce que je recherche, ce sont les résultats de COBE et les mesures du rayonnement fossile. Or l’équation measurement and CMB peut tout aussi bien donné les mesures du rayonnement fossile que les mesures d’autres paramètres grâce au rayonnement fossile. De même, result and COBE peuvent donner les résultats de COBE comme les résultats de mesures d’une autre expérience. 15 J’ai donc revu mes équations de recherche et compris qu’il fallait utiliser des opérateurs de proximité. Malheureusement, les bases de données gratuites n’en utilisent pas. Toutefois, vu le nombre de références trouvées dans ARIBIB, DOE et article@inist, je les ai consultées et j’ai gardé les plus intéressantes. Après, j’ai du les comparer à celles trouvées dans les bases de données Pour conclure, l’interrogation de ces bases a été fructueuses pour ma recherche car elle a permis d’améliorer mes équations et de mieux cibler le sujet. De plus, j’ai obtenu un ordre de grandeur du nombre de références qui existaient sur le sujet, même si la fourchette est assez large. 2.4. Recherche sur Internet 2.4.1. Recherche à partir d’URL connus De part mon intérêt pour la physique, je connaissais plusieurs sites intéressants et incontournables pour toute recherche. On peut citer : le site du CERN URL : http://www.cern.ch le site du CEA URL : http://www.cea.fr Le site de l’IN2P3 URL : http://institut.in2p3.fr le site de la NASA URL : http://www.nasa.gov Les deux derniers sites se sont révélés les plus intéressants. 2.4.2. Requêtes à partir des moteurs de recherche J’ai d’abord utilisé Webcrawler qui est un méta-moteur permettant d’interroger plusieurs moteurs de recherche simultanément. C ‘est Altavista qui semble avoir le plus de références. 16 J’ai donc utilisé l’option advanced web search sur ce serveur : (COBE or cosmic background exporer or experience* or experiment*) and ((cosmic microwave background or CMB or cosmic background radiation or radiofrequency cosmic radiation) near(measurement* or observation*)). J’ai obtenu beaucoup de pages. Je n’ai consulté que les 100 premières. Dans un premier temps, je n’ai sélectionné que les sites d’organismes publics et officiels. Puis, j’ai regardé la date de dernière mise à jour. Si elle est inférieure à 1997, j’éliminais le site. Lorsqu’un titre me semblait intéressant, je consultais la page pour voir si elle était pertinente. Parfois, les liens hypertextes qui se trouvaient dans la page étaient intéressants mais il faut faire attention de ne pas se laisser entraîner trop loin Il arrive qu’on se perde et qu’on s’éloigne de la recherche principale. J’ai également interrogé un moteur de recherche français Voilà. La recherche s’est faite avec les mots clef « fond diffus cosmologique », « rayonnement fossile », « COBE »et « expériences ». Le nombre de réponses était de l’ordre de 30 dont un certain nombre était intéressante. Mais je trouvais que le nombre de référence était faible aussi ai-je décidé d’interroger un autre moteur de recherche, Nomade. Avec les mêmes descripteurs, j’ai trouvé 13 pages Web. J’en ai donc conclu que les documents en français sur ce thème était peu nombreux, ce qui est logique car la plupart des scientifiques français mettent sur le web des documents en anglais. 17 2.5. Bilan des références obtenues. L’équation de recherche fut la suivante : S ( COBE or experience? or experiment? ) AND ((cosmic microwave background or CMB OR cosmic background radiation OR radiofrequency cosmic radiation) (N) ( measurement? OR observation?)) J’ai obtenu les résultats suivants, en ne sélectionnant que les articles dont la date de publication supérieure à 1993: Nom de la base Nb de notices Nb de notices Nb de doublons pertinentes SciSearch 22 8 3 INSPEC 17 7 3 PASCAL 11 6 3 SPIN 11 3 3 Aerospace 4 1 0 Database Internet Plusieurs milliers Une bonne Difficile à estimer centaine Vu le nombre de références récupérées sur DIALOG, elles se sont toutes révélées pertinentes. Mais il est clair que le silence est important. Aussi ai-je du compléter mes réponses avec les références trouvées dans les bases de données gratuites. Nom de la base Nb de références Nb de doublons pertinentes ARIBIB 29 4 ADS 12 1 article@inist 9 4 18 On peut noter que le tiers des articles proviennent de rapports ou de comptesrendus de conférences. Une grande partie de références trouvées sur DIALOG était également disponible sur Internet à travers les bases de données gratuites. Le problème de ces bases est que généralement les résultats trouvés ne suivent aucune norme. De même, sur les sites, il n’est pas facile de trouver un nom d’auteur ou la date de dernière modification. Certains scientifiques mettent directement leurs articles en ligne mais ces articles ne sont généralement pas soumis à un comité scientifique. Le nombre d’articles publiés dans une revue scientifique qui sont accessibles en ligne est limité. Toutefois, Internet reste un outil de recherche puissant si on sait bien l’utiliser. Les pourcentages de références trouvées en fonction de l’outil utilisé se présentent comme suit : Dialog 18% Autres 22% Internet Bdd internet 44% 16% 19 Nombre de références trouvées par base : INSPEC 7% SPIN 3% ADS 22% ARIBIB 48% Aerospace 2% Pascal 9% 3. SciSearch 9% Evaluation des coûts et du temps de recherche La recherche sur Internet m’a pris environ 15h heures. Le temps consacré à DIALOG ( préparation des questions plus interrogation ) est de 8 heures. La recherche des diverses monographies a duré 15 heures à peu près. Le travail de recherche seul est donc au total 38 heures. Pour la consultation du serveur DIALOG, je suis passée par Internet. On ne paye donc que le coût d’une communication locale. De plus, l’ENSSIB a des tarifs préférentiels. Donc seul le temps de connexion est compté, le téléchargement des notices étant gratuit. Le coût total de la session DIALOG est estimé à 25.81$. Il faut multiplier par 10 environ pour avoir le coût réel. 20 Synthèse 1. Introduction [1] La théorie du Big Bang connue sous le nom de Théorie Standard FRW (Friedmann- Robertson - Walker ) vérifiée par l’astronomie observationnelle, les mesures d’astrophysique et la physique des particules paraît aujourd’hui la plus cohérente pour expliquer l’origine de l’Univers. Les arguments et les preuves majeures attestant de sa validité sont : le ciel noir de la nuit ( le paradoxe d’Olbers) [2] la relativité et la métrique de l’espace-temps [3,4] l’homogénéité et l’isotropie à grande échelle [ 5] l’expansion de l’Univers ( redshift) [6] le rayonnement fossile [7,8,9] l’abondance et la composition des éléments dans l’Univers primordial ( nucléosynthèse avant les 3 premières minutes ) [10] la densité croissante des radiogalaxies dans le passé ( Ryle 1950) [11] la répartition et la dynamique des objets lointains ( supernovae, quasars…) [12]. Bien que de nombreuses questions ne trouvent pas de réponses et que le déroulement de l’histoire primordiale s’appuie sur trop d’hypothèses ( la singularité primordiale, la(les) phase(s ) inflationnaire(s), la formation des grandes structures et ruptures de symétrie, la première génération d’étoiles…), la Théorie Standard est unanimement acceptée par la communauté scientifique. Parmi les piliers de base sur lesquels s’appuie la théorie FRW, la présence du rayonnement fossile est d’une importance majeure. 21 2. Historique [13,14] En 1913, Slipher met en évidence un mouvement d’expansion des objets célestes, confirmé par les observations rigoureuses de Hubble en 1929 [15]. Ces découvertes corrélées avec d’autres – notamment la nucléosynthèse primordiale suggérèrent l’idée d’un ‘départ’ et d’un âge de notre univers à partir d’une entité hautement condensée et chaude. Notre univers évoluant avec le temps s’est refroidi et a conduit à notre environnement connu, devenu après ~15 milliards d’années énorme – à l’échelle de nos observations environ 1028 cm et froid. Mais l’Univers doit baigner dans un fond de rayonnement, un écho du Big Bang, à une température d’environ 5 K ( Gamow, Alpher, Bethe 1948) [16]. En 1946, Dicke inventa un radiomètre différentiel et conclut d’un éventuel fond de rayonnement ne devait pas dépasser 20 K. En 1964, deux chercheurs du laboratoire Bell A. Penzias et R.E Wilson [17] enregistrent par hasard avec leur antenne un bruit de fond radio persistant à 3 K, identique dans toutes les directions. Après avoir contacté Peebles et Dicke de l’Université de Princeton, il s’est révélé que ce rayonnement était bien le fond diffus cosmologique prévu quelques années plus tôt par Gamow. 3. Le fond diffus cosmologique [18] Selon la théorie du Big Bang, l’Univers était à l’origine dans un état de température et de densité si élevées que le rayonnement était hautement prépondérant sur la matière. Celle-ci à l’état de nucléons n’a pas pu se former que par la suite, lorsque la température fut devenue suffisamment basse, de l’ordre de 10 13 K. Puis, vers 10 11 K, se constituaient les noyaux .A cette époque les échanges ont contribué à maintenir un équilibre entre rayonnement et matière. 22 Enfin, au bout de quelques centaines de milliers d’années, se produisit un événement qui est l’origine du rayonnement diffus : le milieu universel ne cessant sous l’effet de l’expansion de se refroidir et de se diluer dans un volume de plus en plus vaste a favorisé l’emprisonnement des électrons dans des structures neutres ( atomiques, surtout hydrogène H 1 1 et hélium He2 4 ). Les photons pouvaient dorénavant se propager librement et …« la lumière fut ». Lors du découplage entre matière et rayonnement, la température commune de ces deux constituants était d’environ 4500 Kelvin. C’est dans ces conditions que fut émis le rayonnement que nous pouvons qualifier de « primordial ». Mais en 14 milliards d’années il a changé d’aspect. Il ne faut pas oublier que la longueur d’onde d’un rayonnement suit fidèlement l’étirement de l’espace. Par conséquent, les différentes radiations constituant la lumière fossile ont vu leur longueur d’onde augmenter en accompagnant l’espace dans son expansion. Plus précisément, l’Univers aurait grossi dans ses dimensions linéaires d’un facteur 1500 ( auquel correspond un facteur 1500*1500*1500 soit plus de 3 milliard en volume) entre l’époque où le rayonnement a été émis et celle où nous le recevons. Les longueurs d’onde sont donc toutes 1500 fois plus grande qu’à l’origine : au départ exprimées en microns, elles appartiennent aujourd’hui au domaine millimétrique. Corrélativement - car qui dit longueur d’onde plus grande dit énergie plus petite et donc aussi température plus petite, dans les mêmes proportions -, le rayonnement observé correspond à une température de 2,7 Kelvin. Ce nombre provient de la réduction par le facteur 1500 des 4500 K de départ. [19] 23 4. MESURES [20-21] Le satellite COBE ( Cosmic Background Explorer ) a été développé par la NASA pour mesurer l’infrarouge diffus et le rayonnement micro-onde de l’Univers primordial. Envoyé en novembre 1989, il est constitué de trois instruments : FIRAS ( Far Infrared Absolute Spectrophotometer ) qui compara le spectre du rayonnement fossile avec celui du corps noir [22] DMR ( Differential Microwave radiometer ) qui cartographia le rayonnement fossile de manière précise avec une précision de 0.005 % [23] DIRBE ( Diffuse Infrared Background Experiment ) qui rechercha le rayonnement diffus infrarouge [24] Le fond a des anisotropies intrinsèques, à un niveau de 1 pour 100000. Les fluctuations qui apparaissent sont très faibles puisqu’elles sont de l’ordre de ∆T/T=10-5 .[25] Les mesures précises faites par COBE ont déterminé que le spectre du fond diffus cosmologique a exactement les caractéristiques d’un corps noir à 2.735 K. La vitesse du satellite par rapport à la Terre, de la Terre par rapport au Soleil, du Soleil par rapport à la Galaxie, de la Galaxie par rapport à l’Univers fait qu’en réalité la température semble légèrement plus chaude ( de l’ordre de 1 pour 1000 ) dans la direction du mouvement. L’ampleur de cet effet - appelé anisotropie dipolaire - a permis aux astronomes de déterminer que le Groupe Local de galaxies se déplace à une vitesse de 600 km/s dans une direction qui se trouve à 45° dans le plan la réunissant avec l’amas de la Vierge et celui de l’Hydre et du Centaure. Un tel mouvement s’effectue dans un cadre local de référence dans lequel le fond diffus cosmologique apparaît comme un spectre de Planck parfait.[26] 5. Caractéristiques et conséquences [27] La première caractéristique du fond diffus cosmologique est l’extrême degré de précision avec laquelle la répartition de son intensité lumineuse en fonction de la longueur d’onde suit la loi théorique du « corps noir » ou loi de Planck. Son spectre montre que les conditions nécessaires à la réalisation de cet équilibre thermique régnaient dans le fluide cosmique de la source qui 24 l’a émis. Dans un état d’équilibre thermodynamique, le rayonnement est entièrement défini par un seul grandeur, à savoir sa température, ici de 2.7 Kelvin .[19] Le deuxième trait exceptionnel du rayonnement fossile est son haut degré d’isotropie. Cela était incompréhensible dans le cadre de la théorie initiale du Big Bang. En effet, « l’explosion » de l’Entité Primordiale ( immédiatement après le temps de Planck soit 10 –43 s) a pu conduire à une structure extrêmement inhomogène et anisotrope des densités locales ρl ≥ ρcritique , valeur qui ne correspond pas avec la réalité observée aujourd’hui, ainsi qu’à une forte courbure d’espace. Afin de surmonter ces difficultés, donc celles liées la platitude de l’espace ( il a fallu ajuster | 1/Ω -1 | à 10-57 près ! ), A. H. Guth a proposé un modèle inflationnaire [28]. Selon ce scénario, notre univers est caractérisé par une métrique spatio-temporelle courbe ayant sa composante spatiale euclidienne (en fonction toutefois de la valeur actuelle de Ω=Ω m+Ω Λ avec m pour matière et Λ pour la constante cosmologique i.e. l‘énergie ). Quand l’Univers était âgé de 10-35 s , une période d’expansion exponentielle de l’espace-temps commence, provoquée par une brisure de symétrie. Pendant 10-32 s la distance augmente d’un facteur d’approximativement 1050 . A la fin de la période inflationnaire, l ‘ensemble de l’Univers se trouvait dans une «sphère » de 10 cm de diamètre. L’Univers actuel a environ 15 milliard d’année-lumière et la matière qu’il contient est d’a peu près 1023 masses solaires. Donc, dans les 15 milliards d’années suivant l’inflation, l’expansion fut de 1027 . 2.6 AVENIR [29] Les deux instruments de COBE ( FIAS et DMR) ne pouvaient discerner des détails d’une taille angulaire inférieur à 7°, ce qui veut dire qu’ils ne peuvent voir des structures qui ont un diamètre supérieur à 14 fois le diamètre apparent de la Lune dans le ciel. Or, les dimensions des anisotropies dont la résolution est supérieure à 1° proviennent soit de fluctuations quantiques de l’époque inflationnaire soit des défauts topologiques apparus lors des changements de phase à 10-32 s. Il est donc difficile de lier les dispersions mesurées avec celle des structures actuelles. En effet, quand on regarde avec une taille angulaire de 7° une source à la distance de l’époque du découplage, cela correspond à une taille supérieure aux plus grandes structures que nous voyons actuellement dans l’Univers. L’échelle des structures que nous connaissons aujourd’hui 25 correspond à des parties de seulement ½° de l’époque du découplage. Ainsi, dans le but de lier les anisotropies observées du fond diffus cosmologique aux structures actuelles, il serait pratique d’avoir des dimensions de taille angulaire inférieure à celle de COBE .[30] Plusieurs groupes et collaborations ont vu le jour et travaillent : -sur des ballons : *MAX (Millimeter Anisotropy eXperiment) a exploré les anisotropies du FDC avec une résolution angulaire de 0.5 degrés. L’équipe de MAX a présenté les mesures du FDC de 9 régions du ciel entre 1989 et 1994. [31] *MAXIMA (MAX Imaging Array) résolution angulaire de 1/5°. Il a produit des images de sections du ciel avec une a amélioré ainsi la sensibilité de MAX en mesurant les anisotropies du FDC avec une résolution d’environ ½°.[31] *BOOMERANG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation ANd Geophysics ) va compléter les mesures actuelles du FDC par intervalles situés dans une ouverture angulaire de 12’- 10°. Un vol de longue durée près de l’Antarctique, région particulièrement favorable aux mesures de ce genre, a déjà été effectué avec succès en janvier 1999. L’analyse et la publication des résultats prendra des mois.[32] -à partir des stations terrestres SASKATOON ( SK , d’après le site d’observation dans Saskatchewan, Canada ). Il s’agit d’un télescope terrestre pouvant explorer des échelles angulaires 0.5°- 3° ( correspondant aux multipoles l=60 et l=360). Les mesures effectuées pendant les hivers 1993-1995 ont permis l’étude d’une zone céleste d’environ 15°, dans plusieurs gammes d’onde ( bande KA et Q, subdivisées elles aussi ) et l’obtention de certains renseignements sur la polarisation du FDC.[33] Comme nous l’avons déjà signalé, la cartographie du FDC par les satellites dans les années 1989-1993 a soulevé une vague d’espoir et d’enthousiasme parmi les astrophysiciens. Les valeurs des dispersions ainsi que leur homogénéité, la distribution de Planck de la puissance du rayonnement cadraient parfaitement avec les prévision de la Théorie Standard. Il persistait, cependant présente, une difficulté majeure : la définition spatiale extrêmement faible ( 7°, voir plus haut ) ne permettait pas de tirer des conclusions valables pour la plupart des questions majeures pouvant éclaircir l’âge inflationnaire de notre univers. 26 Il a donc fallu penser à des moyens et à des campagnes de mesures plus perfectionnés. Nous avons cités plus haut quelques expériences, mais pour aller jusqu’au bout de la technologie et de nos moyens, une orientation vers l’espace est devenu absolument nécessaire. En effet, il est difficilement envisageable d’améliorer la précision de mesure des températures, dont l’incertitude vient des limites fondamentales intrinsèques ( le corps noir de référence). Par contre, grâce à l’affranchissement de lourds problèmes technologiques ( dimension du télescope, refroidissement des détecteurs à ~0.1K et amélioration de leur performance, etc.), on peut espérer, malgré une énergie collectée 5000 plus faible, obtenir une sensibilité de 105 fois supérieure. Et, ce qui est capital, avoir une résolution angulaire 470 fois supérieure, et descendre de 7° à 6’. Ainsi sont apparues deux projets de satellites: MAP ( Microwave Anisotropie Probe) doit mesurer les fluctuations de températures du FDC à travers le ciel entier avec une résolution angulaire de 0,3°. Il mesurera aussi le degré de polarisation du FDC. Cette dernière n’a pas encore été détecté mais les modèles théoriques prévoient qu’elle devrait exister avec une amplitude détectable par MAP. Il sera envoyé au fin 2000-début 2001. [34] COBRAS/SAMBA dont les principales caractéristiques répondent aux besoins ci-dessus. Son lancement est prévu pour 2007 par l’Agence spatiale européenne. [35] 27 6. Conclusion [36] L’étude du fond diffus cosmologique est entrée dans une nouvelle phase. Les théoriciens ont compris que la détermination plus précise des fluctuations du rayonnement fossile peut fournir des informations précieuses sur un nombre important de paramètres cosmologiques cruciaux et la résolution angulaire très élevée, vraisemblablement à la limite de notre technologie, permettra de calculer la puissances des fluctuations primordiales jusqu’aux multipôles de l’ordre de l=2100. Les dispositifs munies des canaux de polarimètriques seront capables de mesurer la polarisation du rayonnement de fond, grandeur sur laquelle nous n’avons que de très faibles indications. Pourtant cette information est d’une extrême importance puisqu’elle pourra renseigner les astrophysiciens sur l’éventuelle période de réionisation ( donc la formation de la première génération d’étoiles lourdes ) ainsi que sur les détails sur l’effet Saniaev-Zeldovich [37] ayant trait à la formation des grandes structures. On verra un peu plus claire l’hypothèse des défauts topologiques et leur rôle joué dans l’histoire primitive ( et peut-être aussi plus tardive ) et on aura une idée sur les ondes gravitationnelles primordiales, générant des fluctuations de la métrique. Bref, pour conclure d’une manière plus concise, on peut affirmer que la connaissance –avec une meilleure exactitude – de la géométrie de l’univers, de Ω m et Ω Λ (donc de la densité de matière baryonique ou non et de la constante cosmologique) et enfin la constante de Hubble ( et peut-être son évolution ) résultées de ces mesures détermineront l’avenir de la Théorie Standard. Si elles ne correspondent pas à ce que prévoient les théoriciens, une remise en cause du modèle FRW et de la théorie de l’inflation sera à envisager. 28 Bibliographie utilisée dans la synthèse Format des références : en ce qui concerne les pages Internet, du fait qu’il n’est pas toujours possible d’avoir une référence complète, j’ai donné à chaque fois : -le nom de l’auteur –quand il est indiqué-l’organisme auquel appartient l’auteur -le nom de la page -l’URL -la date de dernière mise à jour En ce qui concerne les autres références, elles ont présentées en appliquant les deux normes suivantes : Z44-005 "Documentation, références bibliographiques : contenu, forme et structure" de décembre 1987 qui elle-même reproduit intégralement la norme internationale ISO 690-1987. ISO/DIS 690-2 -1995 "Information et documentation – Références bibliographiques – Documents électroniques ou parties de ceux-ci". [1] THUAN X.T, La mélodie secrète. 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