« Si vous êtes religieux, c'est comme voir Dieu », c'est ainsi que le futur prix Nobel de physique George Smoot présentait en 1992 les premiers résultats de l'analyse des données prises par Cosmic Background Explorer (Cobe), un satellite scientifique de la Nasa lancé en 1989. La déclaration était surtout « un coup de com » à destination du grand public états-unien religieux, dont les impôts avaient financé la mission.

« Si vous êtes religieux, c'est comme voir Dieu » : le prix Nobel de physique George Smoot est décédé !

L’expression avait marqué les auditeurs en 1992 lors d’une conférence de presse : « If you're religious, it's like seeing God » et c’était sans doute son but lorsque George Fitzgerald Smoot l’a employée comme métaphore pour faire partager au grand public anglo-saxon son excitation – et celle de ses collègues – devant les résultats de leurs analyses des observations du rayonnement fossile du Big Bang fournies par le désormais mythique satellite Cosmic Background Explorer (Cobe). Il obtiendra en 2006 le prix Nobel de physique pour ce travail, conjointement avec John C. Mather, pour « leur découverte de la nature de corps noir et de l'anisotropie du fond diffus cosmologique ». Smoot est hélas décédé à Paris ce 18 septembre 2025.... Lire la suite

Toutefois, même prosaïquement, les données de Cobe restaient extraordinaires et commençaient déjà à donner des renseignements précieux pour la cosmologie. Elles concernaient un fond diffus cosmique de rayonnement dans le domaine des micro-ondes avec une température d'environ 2,7 kelvins au-dessus du zéro absolu et dont les variations de température sur la voûte céleste étaient de l'ordre de l'épaisseur d'un cheveu par rapport à la taille de la tour Eiffel.

La trace quantique du Big Bang

Ce rayonnement présentait, avec cette précision de mesure, ce que les physiciens appellent un spectre de corps noir, dont la compréhension remontait aux travaux de Max Planck et qui fut à l'origine de la découverte de la physique quantique.

Un spectre de corps noir quasiment parfait pour un fond diffus de rayonnement est impossible à comprendre véritablement sans la théorie du Big Bang. Les fluctuations de température que commençait à voir Cobe pouvaient déjà s'interpréter comme l'effet des fluctuations de densité dans la matière produite par le Big Bang, fluctuations qui vont faire naître plus tard les galaxies. On voyait donc presque en action, d'une certaine façon, la « main » d'un créateur de l'Univers.

Cette série d'images en fausse couleurs a été dressée à partir de deux ans d'observations du rayonnement fossile par le satellite Cobe. Les couleurs indiquent des variations de température, en rouge les plus chaudes et en bas les plus froides. On voit, de haut en bas, la carte incluant le dipôle cosmique, puis la contribution du rayonnement de la Galaxie, au centre, et enfin, en bas, la carte sans ces deux contributions au rayonnement de fond dans les micro-ondes. Le dipôle, une variation progressive entre des zones relativement chaudes et relativement froides, du coin supérieur droit au coin inférieur gauche, est dû au mouvement du Système solaire par rapport à la matière lointaine de l'Univers. Les signaux attribués à cette variation sont extrêmement faibles, mille fois moins lumineux que le ciel. L'image suivante montre donc uniquement la carte réduite (c'est-à-dire sans le dipôle ni l'émission galactique). Les fluctuations du fond diffus cosmologique sont extrêmement faibles, de l'ordre de 1/100 000 par rapport à la température moyenne de 2,73 kelvins du champ de rayonnement. Ce rayonnement est un vestige du Big Bang, ses fluctuations témoignent des contrastes de densité dans l'Univers primordial. On pense que ces ondulations de densité sont à l'origine des structures qui peuplent aujourd'hui l'Univers : des amas de galaxies et de vastes régions dépourvues de galaxies. © Nasa

Les données de Cobe permettaient déjà de donner un âge de l'ordre de 14 milliards d'années pour le cosmos observable et de contraindre sa forme et sa topologie. Elles permettaient aussi d'estimer quand était né le rayonnement fossile - aussi appelé rayonnement de fond diffus cosmologique - soit environ 400 000 après le Big Bang, au moment où, en quelques milliers d'années, les atomes neutres se sont formés par capture des électrons par les noyaux de ces atomes. Cette étape a provoqué l'équivalent de la dissipation d'un brouillard permettant la propagation de la lumière du Big Bang, comme on peut le voir dans la vidéo ci-dessous.

Depuis 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

L'existence de ce rayonnement avait été prédite par Ralph Alpher, peu après qu'il eut soutenu sa thèse sur la théorie du Big Bang en 1948, avec l'un de ses pères fondateurs, George Gamow.

Une clé de la détermination de la carte d'identité de l'Univers

Dès les années 1970 et plus encore au cours des années 1980, il était clair que le rayonnement fossile devait contenir une mine d'informations pour la cosmologie si l'on savait l'exploiter et surtout en mesurant de plus en plus précisément le rayonnement fossile. C'était l'objectif de la mission Planck de l'Agence spatiale européenne (ESA) et son déroulement a donc été suivi avec attention par Futura au cours des années 2010. Un premier grand moment a été la mise en ligne en mars 2013 de la première image complète sur la voûte céleste du rayonnement fossile.

Comme pour le LHC, on attendait beaucoup de la mission Planck. Si elle a effectivement fourni bien des renseignements sur lesquels s'appuient encore de nos jours les astrophysiciens et les cosmologistes, qui y ont même trouvé des anomalies trahissant peut-être une nouvelle physique (avec la fameuse tension de Hubble), on espérait qu'elle allait valider la théorie de l'inflation cosmologique et peut-être l'un des modèles topologiques alternatifs au Modèle cosmologique aujourd'hui toujours standard.

On a tout de même progressé avec elle pour répondre aux questions suivantes :

• Quel est l'âge et la forme de l'Univers ?
• Quel sera le futur de l'Univers, expansion infinie, implosion ou autre ?
• Quand l'Univers est-il devenu transparent ?
• Quand les premières étoiles et les premières galaxies se sont-elles formées ?
• Quelles sont les formes de matière et d'énergie qui emplissent l'Univers ?
• Quels mécanismes ont initié la formation des galaxies ?

Pour les 25 ans de Futura, c'est une bonne occasion de relire quelques-uns des articles que nous avions consacrés à l'étude du rayonnement fossile avec les données de la mission Planck révélées au cours des années 2010.

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