Un pour cent. C’est la part de la fameuse « neige » qui grésillait sur les téléviseurs analogiques réglés sur une chaîne sans signal qui provenait, non pas d’un défaut de l’appareil, mais du rayonnement fossile émis par l’Univers 380 000 ans après le Big Bang. une fraction infime de ces parasites que des générations de spectateurs ont regardés d’un œil distrait, en attendant que le programme reprenne, était en réalité la trace la plus ancienne de lumière que l’humanité puisse observer.

Sommaire

1. Un bruit de fond qui a intrigué deux ingénieurs des télécoms
2. 380 000 ans après le Big Bang, la lumière se libère enfin
3. Pourquoi seulement 1 % de la neige, et pas davantage ?

Un bruit de fond qui a intrigué deux ingénieurs des télécoms

L’histoire commence à Holmdel, dans le New Jersey, où deux chercheurs des laboratoires Bell, Arno Penzias et Robert Wilson, testent une antenne en forme de corne initialement conçue pour les communications par satellite. En tentant de calibrer et d’éliminer les bruits de fond de leur radiomètre destiné à étudier la communication par satellite, ils détectent un bruit thermique irréductible. Le signal ne ressemble à rien de connu : quelle que soit la direction pointée par l’antenne, il persiste, identique, obstiné.

Les deux ingénieurs soupçonnent d’abord un problème matériel. Ils envisagent même sérieusement que les fientes de pigeons nichés dans le creux de l’antenne en soient la cause – anecdote savoureuse qui montre à quel point la vérité, parfois, se cache derrière l’explication la plus prosaïque. Nettoyage effectué, le bruit persiste. Ils cherchent alors à estimer les contributions parasites qui pourraient être dues au ciel, à l’antenne, au guide d’onde ou aux détecteurs, mais toutes ces contributions s’avèrent trop faibles pour expliquer l’excès observé, et le signal reste identique dans toutes les directions et constant dans le temps.

C’est en discutant avec d’autres chercheurs que la pièce manquante du puzzle apparaît. Une équipe de l’université de Princeton, menée par Robert Dicke, travaille justement à la construction d’une antenne capable de détecter un rayonnement prédit par la théorie du Big Bang : un écho thermique laissé par l’Univers primordial. Penzias apprend fortuitement que James Peebles a prédit l’existence d’un tel rayonnement et qu’une équipe de Princeton construit une antenne pour le détecter ; il contacte alors Dicke, et les deux équipes décident de publier conjointement deux articles, l’un décrivant la découverte, l’autre ses conséquences cosmologiques. La phrase de Dicke à ses collaborateurs, en apprenant la nouvelle, est restée célèbre dans les annales de la physique : « Well boys, we have been scooped », soit « Les gars, nous nous sommes fait devancer ».

380 000 ans après le Big Bang, la lumière se libère enfin

Pour comprendre ce que Penzias et Wilson venaient de capter sans le savoir, il faut remonter à l’origine de l’Univers. Dans les premiers instants suivant le Big Bang, la matière est si dense et si chaude que la lumière ne peut circuler librement : elle rebondit sans cesse sur les particules chargées qui l’entourent, comme piégée dans un brouillard opaque. Environ 380 000 ans après le Big Bang, l’Univers s’est suffisamment refroidi pour permettre la formation des premiers atomes, principalement d’hydrogène et d’hélium, et c’est à ce moment que le rayonnement cosmique des micro-ondes a été émis, l’Univers devenant enfin transparent pour permettre aux photons de voyager librement.

Ces photons libérés il y a 13,8 milliards d’années n’ont cessé de voyager depuis. Mais l’expansion continue de l’Univers a étiré leur longueur d’onde. Les photons d’alors ont perdu en énergie et nous parviennent avec des fréquences mille fois plus faibles qu’à l’origine, sous forme de micro-ondes qui ne sont plus visibles dans le spectre lumineux mais uniquement en tant que rayonnement électromagnétique. Une antenne bien calibrée, à condition de capter la bonne gamme de fréquences, peut donc encore recueillir ce lointain écho, aujourd’hui refroidi à environ 2,7 kelvins, soit à peine trois degrés au-dessus du zéro absolu.

La reconnaissance scientifique ne s’est pas fait attendre longtemps à l’échelle de l’histoire des sciences. Ce rayonnement est rapidement identifié comme étant un fond de photons datant de 380 000 ans après la formation de l’Univers, le Cosmic Microwave Background, et cette découverte sonne le glas de la théorie stationnaire de l’Univers. Penzias et Wilson recevront le prix Nobel de physique en 1978 pour cette trouvaille accidentelle, l’une des plus belles illustrations de la sérendipité scientifique.

Pourquoi seulement 1 % de la neige, et pas davantage ?

La question mérite d’être posée : si ce rayonnement baigne tout l’Univers, pourquoi n’occupe-t-il qu’une portion aussi minuscule du bruit visible à l’écran ? La réponse tient à la nature même du signal capté par un vieux téléviseur. Les 99 % restants proviennent d’autres ondes, comme celles des communications radio, du Soleil ou de trous noirs. À cela s’ajoute une source bien plus terre-à-terre : le bruit électronique généré par les propres composants de l’appareil. C’est le bruit propre du système qui est amplifié et que les détecteurs tentent de démoduler, et comme cela ne ressemble pas à un signal vidéo, le résultat est cette neige. D’ailleurs, débrancher l’antenne ne fait pas disparaître la neige : une partie du grésillement vient bel et bien de l’intérieur du poste lui-même.

Ce mélange explique pourquoi la contribution cosmique reste marginale mais réelle. Ce rayonnement fossile représentait finalement seulement 1 % de la « neige » visible sur les téléviseurs de l’époque, le reste étant composé d’interférences bien plus banales, des ondes électromagnétiques ambiantes aux imperfections des circuits eux-mêmes. Un chercheur avait un jour résumé la situation avec une pointe de malice : ce serait trop beau de croire que tout le bruit blanc capté n’est que la trace de la création de l’Univers.

Les vieux téléviseurs cathodiques ont pratiquement disparu des salons, remplacés par des écrans numériques qui n’affichent plus jamais cette neige caractéristique. Le rayonnement fossile, lui, continue d’exister partout autour de nous, immuable, et les scientifiques l’étudient aujourd’hui avec des instruments autrement plus sensibles qu’une antenne de télévision, comme les satellites Planck ou WMAP, capables de cartographier ses infimes variations de température pour reconstituer l’histoire la plus ancienne de notre Univers.

Sources : secouchermoinsbete.fr | astronomie.savoir.fr