En 1917, Albert Einstein partageait la conviction très répandue dans le monde scientifique de l’époque que l’Univers était statique et limité à la voie lactée. Ceci le conduisit à introduire un terme dans son équation de la relativité générale dans le seul but de permettre l’existence de solutions statiques correspondant à la vision qu’il avait de l’Univers. Il baptisa ce terme « constante cosmologique ».

En 1924, le mathématicien russe Alexandre Friedmann analysa en profondeur les différentes solutions de l’équation d’Einstein dans le cas d’un univers homogène et isotrope. Il acquit la conviction que l’Univers statique d’Einstein n’était pas stable. En d’autres termes, soit l’Univers est en expansion, soit il se contracte. Il soumit ses conclusions à Einstein qui les rejeta. Il lui écrivit : « vos mathématiques sont excellentes mais votre physique est abominable ». Malheureusement pour lui (et pour la science) Alexandre Friedmann mourut de la typhoïde l’année suivante, en 1925.

A peu près au même moment, le belge Georges Lemaître parvenait aux mêmes conclusions que Friedmann. Il publia ses résultats en 1927, suscitant aussi peu d’enthousiasme que Friedmann. Tout change deux ans après. En 1929, l’astronome américain Edwin Powell Hubble, alors en poste à l’observatoire du Mont Wilson, découvre que les galaxies s’éloignent de la voie lactée à une vitesse proportionnelle à leur distance. C’est la démonstration que Friedmann et Lemaître avaient raison. Einstein reconnaît son erreur et supprime la constante cosmologique de son équation. Il pense avoir fait « la plus grosse bourde de sa vie ».

Fort de son succès et de sa soudaine renommée, Georges Lemaître pousse plus loin sa réflexion. Il évoque la possibilité de la naissance de l’Univers sous la forme d’un « atome primordial » d’une densité quasi-infinie. Cet atome primordial aurait ensuite enflé démesurément et se serait fragmenté, donnant ainsi naissance à notre Univers en expansion et à la matière qu’il contient. L’hypothèse de Lemaître rencontre un scepticisme certain auprès des astronomes. Ceux-ci, dans leur grande majorité, lui préfère le modèle stationnaire défendu par leur confrère Fred Hoyle. Dans le modèle stationnaire, la dilution de la matière liée à l’expansion de l’Univers est compensée par une création continue de matière par un champ quantique appelé champ C. Ce modèle est très populaire et Fred Hoyle est très convaincant. C’est lui qui, au cours d’une émission de radio, donnera le nom de Big Bang à la théorie de l’expansion de l’Univers pour la ridiculiser...

Le physicien d’origine russe George Gamow ne se laisse pas impressionner par les rodomontades du très médiatique Fred Hoyle. Gamow n’est pas un nouveau venu. Il a élucidé, avec le britannique Robert d'Escourt Atkinson, le mécanisme des réactions nucléaires qui alimentent le rayonnement des étoiles. George Gamow s’intéresse à la cosmogénèse. Il possède un avantage sur la plupart des astronomes : il maîtrise bien la toute nouvelle mécanique quantique. En 1948, il étudie avec son élève Ralph Alpher les conditions qui régnaient dans l’univers primordial dans l’hypothèse du Big Bang.

Dans le scenario qu’ils privilégient, l’Univers à ses tout premiers instants est opaque. La matière ionisée constamment avec le rayonnement. Le libre parcours des photons est très court : ils sont sans cesse absorbés puis réémis par les particules chargées du plasma dans lequel ils baignent.

A mesure que l’Univers s’étend, sa température diminue. Lorsque l’âge de l’Univers atteint 380000 ans, la température est tombée à 3000 K. (A titre de comparaison, la température à la surface du soleil est de 5500 K.) Elle passe en dessous d’un seuil qui permet aux électrons et aux protons de se combiner pour former des atomes d’hydrogène sans que cet atome d'hydrogène soit dissocié immédiatement après. C’est un événement capital : à partir de ce moment les photons n’interagissent plus que très rarement avec les particules. Ils sont libres de se propager sans obstacles dans toutes les directions. Dès lors l’Univers tout entier est baigné par un rayonnement à 3000 K.

13.7 milliards d’années vont s’écouler. L’univers a continué son expansion et il s’est refroidi. Conformément à la théorie de la relativité générale le rayonnement initial a perdu de l’énergie2. Sa température n’est plus aujourd’hui que de 2.7 K. Et c'est précisément ce que George Gamow et Ralph Alpher ont prédit en 1948. Ils ont même calculé le spectre de ce rayonnement fossile : c’est celui d’un corps noir dont la température est de quelques degrés Kelvin. L’article publié à l’époque par Gamow et Alpher passe totalement inaperçu et tombe dans l’oubli. Il semble que Georges Lemaître n’en ait même pas entendu parler !

C’est en 1964 qu’Arno Penzias et Robert Wilson mettent fortuitement en évidence ce rayonnement fossile auquel on a donné le nom de fond diffus cosmologique (CMB : cosmic microwave background). Cette découverte scelle définitivement le sort de toutes les théories alternatives, dont celle de Fred Hoyle. En 1964 George Lemaître a 70 ans. Il mourra deux ans plus tard. Allan Penzias et Robert Wilson ont reçu le prix Nobel en 1978.

La découverte de Penzias et Woodrow sera confirmée par plusieurs missions spatiales. En 1989, la Nasa a procédé au lancement du satellite COBE (Cosmic Background Explorer) qui a globalement confirmé les propriétés du fond diffus cosmologique. La sonde WMAP lancée en 2001 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) en a donné une image plus précise et toujours en accord avec la théorie. Enfin, en 2009, l'ESA a procédé au lancement du satellite Planck avec à son bord un détecteur refroidi à 0,1 Kelvin pour dresser une carte 20 fois plus précise que WMAP. Le dépouillement des données collectées démontre une concordance spectaculaire et presque inespérée avec la théorie : les variations d'amplitude ne dépassent pas le cent millième et le spectre de fréquence concorde avec le spectre d'un corps noir à quelques pourcents près.

Analyse des irrégularités du fond diffus cosmologique

L’analyse des irrégularités du fond diffus cosmologique, même si celles-ci sont minimes, est riche d’enseignements. En premier lieu, le fond diffus nous permet de mesurer la courbure de l’espace. L’univers primordial était soumis à l’effervescence quantique. L’inflation cosmique a ensuite prodigieusement dilaté les infimes fluctuations existant à l’instant où elle s’est produite : de ce fait, elle les a fait passer d’un état virtuel (c'est-à-dire amenées à disparaître presqu’aussitôt après avoir été créées) à un état réel. Elle les a figées, les transformant en surdensités locales. Ces surdensités locales se sont ensuite dilatées pendant 380000 ans. Ces zones de surdensité sont visibles sur la carte du fond diffus cosmologique. Ce sont les structures les plus étendues qu'il soit possible de repérer. Une anomalie de plus grande taille serait le signe d'une inhomogénéité de l'Univers primordial. L'analyse de la densité spectrale des irrégularités apparaissant sur le fond diffus cosmologique doit donc faire apparaître un pic correspondant à ces anomalies de taille maximale. Ce pic existe effectivement, il est centré sur une valeur correspondant à 150 mégaparsecs, soit un degré. Or, il est facile de calculer l'angle que l'on doit trouver en fonction de la courbure de l'Univers. Cet angle est inférieur à un degré si l'Univers est hyperbolique et supérieur s'il est sphérique. La valeur de un degré correspond… à un Univers euclidien. Il y a donc tout lieu de penser que notre Univers est euclidien, ce qui veut dire que sa densité est très proche de la densité critique.

Oscillations acoustiques baryoniques (Baryonic Acoustic Oscillations)

Dans la période qui a précédé le découplage entre la matière et le rayonnement la matière se comportait comme un plasma. Dans la physique des plasmas, les écarts même minimes de pression se traduisent par des ondes acoustiques. Le découplage entre matière et rayonnement a figé ces ondes acoustiques dont la trace est également reconnaissable sur la carte du fond diffus cosmologique établie par le satellite Planck. Elles portent le nom d’oscillations acoustiques baryoniques (BAO : Baryonic Acoustic Oscillations).

Il est possible de modéliser ce type d'oscillations dans un plasma représentatif de l’Univers primordial. Il se trouve que les résultats issus des modélisations correspondent de manière étonnamment précise avec les relevés effectués grâce au satellite Planck ! Ces spectaculaires succès de la théorie (l’existence du fond diffus cosmologique, son spectre de type « corps noir », le pic centré sur un degré et le spectre des ondes acoustiques baryoniques) confirment de manière éclatante la validité du modèle standard de la cosmologie et de la théorie du Big-bang.