Boomerang ou l'Univers plat

    Boomerang a révélé un univers "plat" ou plutôt euclidien. C'est un abus de langage voulant dire que deux droites parallèles ne s'y rencontrent jamais. Les cosmologistes nous montrent les images détaillées du rayonnement de l'Univers dans sa petite enfance.

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mise en place de la nacelle du projet, nommé Boomerang (Balloon Observations of Millimetric Extragalatic Radiation and Geophysics).

 Le projet, nommé Boomerang (Balloon Observations of Millimetric Extragalatic Radiation and Geophysics), a obtenu des images en utilisant un télescope de grande sensibilité, de 1,2 m de diamètre et pesant 2 tonnes. Suspendu à un ballon contenant 800000 m3 d'hélium, il navigua sur 8000 km autour du pôle sud, en 1998. Le ballon décolla de la base américaine de Mc Murdo et transporta le télescope à une altitude de 37 km pendant 10,5 jours.

Le ballon navigua sur 8000 km autour du pôle sud, en 1998

  Une équipe internationale (Canada, Italie, Royaume Uni et USA) de 36 cosmologistes, en provenance de 16 universités, a réalisé la première image détaillée de l'Univers dans sa petite enfance. Elle révèle sa structure lorsqu'il était 1000 fois plus chaud et petit qu'aujourd'hui. L'analyse détaillée permet aux cosmologistes de comprendre une partie du mystère - la nature de la matière et de l'énergie qui dominent les espaces intergalactiques - pour savoir si l'univers est (par abus de langage) "plat" ou courbe.

Le projet, nommé Boomerang (Balloon Observations of Millimetric Extragalatic Radiation and Geophysics), a obtenu des images autor du pôle Sud.

  Aujourd'hui, l'Univers est rempli de galaxies et d'amas de galaxies. Mais il y a 12 à 15 milliards d'années, il était très homogène et incroyablement chaud et dense. Cette chaleur est encore détectable de nos jours, avec un lointain rougeoiement dans des longueurs d'onde très courtes et dans toutes les directions. Ce rayonnement est connu sous le nom de "rayonnement fossile" ou "rayonnement diffus cosmologique" ou CMB (Cosmic Microwawe Background) pour les anglo-saxons. Il contient 411 millions de photons par m3

   Le rayonnement fossile fut décrit par Gamov en 1948 et découvert en 1965 par Penzias et Wilson, travaillant à la Bell Telephone. Il fut confirmé par le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) en 1991. Il détecta, le premier, la granularité du rayonnement fossile. Les mesures portaient sur de grandes régions de la sphère céleste, correspondant à des angles d'une dizaine de degrés (comparable à la Grande Ourse). Le spectre de ce rayonnement s'étend de 0,5 à 10 mm, avec un maximum à 1,5 mm de longueur d'onde. Il coïncide, à mieux que 1% près, avec celui du rayonnement d'un corps noir à 2,735°K. La mesure est plus intéressante à des angles plus petits. Des écarts infimes furent décelés à des angles de 1°, avec des stations au sol. Il se confirma alors que l'anisothermie y est plus accentuée qu'aux angles plus grands. Dans cette surface, à l'époque de l'émission du rayonnement fossile, se trouve l'équivalent d'un superamas. Sa configuration précise dépend entre autres choses, de la densité totale de l'Univers, de la valeur de la constante cosmologique et de la quantité d'ondes gravitationnelles.

    C'est dans cette optique que fut conçu le projet de ballon Boomerang. Les images de Boomerang sont les premières à présenter, d'une manière indiscutable, des centaines de régions avec des variations si infimes (1/10000e de degré Celsius) de la température du fond de ciel. Les portions complexes, visibles dans ces images, confirment la prédiction des modèles prévoyant que cela résulterait d'ondes parcourant le jeune Univers en créant des structures qui ont évoluées en amas géants et super-amas de galaxies. Pour Andrew Lange du CIT (California Institut of Technology à Pasadena), ces structures se situent avant la première étoile ou la première galaxie. Pour lui, c'est un véritable triomphe de la cosmologie moderne d'avoir prédit les bases de l'Univers avec autant de précision. Le responsable de la délégation italienne, Paolo de Bernadis de l'université de Rome La Spienza, ajoute même qu'il est réellement excitant d'être capable de voir les structures fondamentales de l'Univers embryonnaire. Dans la lumière détectée, il est maintenant possible de voir celle qui créa notre  Galaxie.

   Les images de Boomerang couvrent 3% du ciel (10 mn d'arc). L'équipe qui analysa la taille des structures de ce rayonnement fossile, a produit des calculs théoriques que confirmèrent des mesures de Boomerang sur la géométrie de l'espace-temps, lesquelles indiquent avec force que la géométrie de l'Univers est "plate" et non courbe. Si les structures étaient apparues plus grosses ou plus petites, cela aurait signifié que l'espace été déformé par un excès ou un manque de matière. Dans un cas, les droites se seraient rencontrées et dans l'autre, elles se seraient écartées. C'est la victoire de la géométrie apprise à l'école. Ces résultats sont en accord avec la théorie inflationniste. Elle admet comme hypothèse que tout l'Univers grandit à partir d'une minuscule région subatomique durant une période très brève, lors d'une expansion violente qui provoqua une déchirure dans l'espace-temps moins d'une seconde après le Big bang. L'énorme expansion aurait étendu la géométrie de l'espace jusqu'à ce qu'il devienne plat. 

   Un autre ballon, MAXIMA, confirma les mesures le 9 mai 2000.

    l'image électromagnétique en fausses couleurs du rayonnement, nous montre les subtiles fluctuations ou faibles inhomogénéités de température

 

   Cette image électromagnétique en fausses couleurs du rayonnement, nous montre les subtiles fluctuations ou faibles inhomogénéités de température  (1/10000e de degré Celsius) du chaud plasma (3000° K) qui remplissait l'Univers, guère plus de 1 million d'années après le Big bang. Ces anisotropies contiennent les informations sur les paramètres cosmologiques de base en particulier l'énergie et la courbure de l'Univers. Des cartes à 4 fréquences distinctes montrent clairement l'émission du rayonnement fossile. Les calculs de la puissance angulaire du rayonnement fossile  indiquent une pointe sur le multipôle de Legendre égale à 197+6 avec une amplitude de DT200 = (69+8) mK. Ceci est cohérent avec ce qui est attendu pour le modèle matière noire dans un univers euclidien et donne la faveur à un modèle inflationniste.

     A la vue de cette image, la plupart des cosmologistes furent convaincus que l'Univers contient suffisamment de matière et d'énergie pour être plat (euclidien) et qu'il s'étendra continuellement. Ainsi, 2 lignes droites ne se rencontreront jamais. Il reste maintenant à confirmer la Constante Cosmologique L et expliquer la matière noire. Mais aujourd'hui leurs valeurs convergent vers 0,3 pour la densité critique W et 0,7 pour la constante cosmologique L. Cela tombe bien car 0,3 + 0,7 = 1. Et 1, c'est la densité critique qui vient d'être confirmée par Boomerang (mais attention, il n'a pas était découvert 1 avec une infinité de zéro dernière). La valeur de la densité critique W est voisine de 2.10- 29g/cm3 (en gros 3 atomes d'hydrogène/m3). Pour une densité critique W=1, cela signifie qu'il existe une matière noire constituée de particules exotiques que nous ne connaissons pas. Cette masse manquante serait alors dispersée à l'extérieur des galaxies et des amas.

Explication

    La photo nous montre beaucoup de détails de l'univers bébé. Cette image montrant le vestige refroidi du fond diffus cosmologique, avait déjà été obtenu en 1965 par Wilson et Penzias, mais sur une carte montrant le rayonnement en onde radio. C'est la première lumière émise par l'univers après 1 million d'années d'expansion pour un univers ayant aujourd'hui 15 milliards d'années. Au début de son existence il est extraordinairement chaud et dense, c'est une "soupe" très compacte de particules élémentaires de rayonnement. Il est si compact que les particules de lumière, les photons ne peuvent pas voyager. Pendant ce premier million d'années, l'univers est opaque. Puis l'expansion a pris suffisamment d'ampleur pour que les distances s'accroissent, que la densité diminue permettant aux photons de sortir de cette "soupe". L'univers est devenu transparent. La lumière  voyagea alors librement pendant 15 milliards d'années et nous parvient aujourd'hui sous forme d'une image montrant l'univers bébé (1 million d'années par rapport à 15 milliards équivalent à nos premières minutes de vie). Cela confirme ce que Friedmann (1923) et Georges Lemaître avait dit en 1927 dans son modèle relativiste de l'atome primitif, lorsque l'Univers a commencé son expansion il y a 12 à 15 milliards d'années: il est très chaud et très dense.

La platitude

     La platitude de l'Univers est connu depuis les années 30. Mais l'on sait aussi qu'il ne peut pas être plat. C'est un abus de langage dû à la médiatisation de l'information. Cet état correspond à un cas mathématique invraisemblable. Les observations montrent qu'il est presque plat. C'est-à-dire que la somme des angles fait à peu près 180° et que les parallèles ne se recoupent jamais. L'ensemble des mesures montrent que les paramètres cosmologiques, dont la courbure (plat signifiant courbure nulle, ce qui suggère qu'elle peut être positive ou négative), sont dans une fourchette de valeur qui entourent la courbure nulle. Il est tout a fait possible qu'il soit un peu courbé négativement (hyperbolique ou selle de cheval) ou un peu positivement (sphérique). La forme détermine l'avenir en fonction de ce qu'il contient. La matière noire, qui est la grande inconnue de cette fin de 20e siècle, constitue 90% de la masse de l'univers. 

  Août 2000: Mais si c'était de l'hydrogène moléculaire H2 ? Voir NGC 891 à la rubrique IMAGES.

   Dans la théorie de la relativité générale, l'espace-temps est courbé par la présence d'objets massifs. L'espace à 3 dimensions, dans lequel nous sommes, possède une courbure qui dépend de la densité de matière dans l'Univers. En examinant l'Univers dans son ensemble, et en considérant que la matière est répartie presque uniformément, la courbure est à peu près uniforme, c'est-à-dire constante. Trois cas se présentent alors: courbure positive (univers sphérique) , strictement nulle (correspond à 3 atomes par m3 ou 10-29 g cm3) donnant un univers plat ou euclidien ou soit une courbure négative donnant localement un univers hyperbolique. Cela détermine alors, en partie, le destin ultime de l'Univers: expansion perpétuelle, stagnation perpétuelle ou bien une contraction. 

   On ne pourra pas obtenir d'images avant la période Boomerang, puisque nous avons vu que les photons ne pouvaient pas s'échapper de la "soupe" cosmique. Mais pour remonter plus loin les cosmologistes disposent d'ordinateurs puissants et d'accélérateurs de particules dans lesquels ils créent des collisions recréant les conditions de l'univers primitif, qui n'était qu'un accélérateur géant.  

    Au bout de 100 secondes d'expansion, la température était de 1 milliard de degrés, naissance de l'hydrogène et de l'hélium. La théorie du Big bang permet de calculer la quantité d'hydrogène et d'hélium produite à ce moment précis. En comparant les chiffres aux mesures dans l'univers, il y a accord parfait dans les résultats. Ainsi les scientifiques peuvent vérifier expérimentalement le modèle du Big bang jusqu'à cette époque où les premiers noyaux atomiques furent formés. A mesure que l'on remonte dans le temps, la température s'accroît. La théorie prévoit la création de certains types de particules à des énergies équivalant à certaines températures. C'est ainsi qu'en laboratoire sont recréées les conditions de l'univers primitif. Aujourd'hui il est possible de reconstituer l'ambiance régnant dans l'univers lorsqu'il était âgé de seulement 1.10-12 seconde. A ce moment-là, il était suffisamment chaud (1.1015 °K) et dense pour engendrer les constituants fondamentaux de la matière que sont les quarks, avec une énergie de 1.1011 eV.   

   

Et avant ?

      A la question que tout le monde se pose "qui avait-il avant ?" on ne peut que répondre qu'elle est mal posée.

    Le modèle de Big bang explique que ce sont l'espace et le temps qui furent engendrés. Donc le temps n'existant pas avant le Big bang, il ne peut rien exister, car l'utilisation de AVANT est une utilisation temporelle, qui n'existe pas. De plus, il ne peut pas y avoir d'espace en dehors de l'espace, car l'espace c'est le tout. Comme il n'existe pas, il n'y a rien. Ce sont 2 cas d'utilisation de termes illogiques. Nous avons affaire à quelque chose de fini qui n'a pas de frontière.

sommes-nous ?

    Nous sommes au centre d'un univers observable qui a 15 milliards d'al de diamètre. Tout simplement comme la lumière voyage à 300000 km/s et que l'Univers a 15 milliards al, la lumière n'a pas pu parcourir plus de 15 milliards al. C'est la taille maximale accessible aux télescopes. Nous sommes au centre des apparences qui ne sont qu'une fraction de l'Univers total. Ainsi, si nous pouvions partir instantanément à 10 milliards d' al, nous aurions, toujours autour de nous, un univers observable de 15 milliards d'al. Il se passe la même chose en pleine mer.  L'horizon se déplace avec nous et nous nous trouvons toujours au centre d'un cercle limité par l'horizon. Nous sommes sur un océan observable. Par contre tout comme sur l'océan, nous ne connaissons pas la taille de l'Univers. Il grandit d'une année-lumière par an.

Inflation

    C'est une spéculation théorique. L'expérience n'a encore rien confirmé. L'univers aurait acquis instantanément une dimension gigantesque (x 1.1050) à une époque antérieure à 1.10-35 seconde. La température était de 1.1028°K (1.1024 eV). A ce moment les 4 interactions étaient liées (la gravitation, la force électromagnétique, la force nucléaire forte et la faible). L'univers est dans un double état de symétrie de grande unification et de symétrie matière-antimatière. 

   Lorsque la température baissa, l'énergie en fit autant. Alors se produit le découplage . C'est à cet instant que se produirait l'inflation. Une des prédictions de cette théorie, l'Univers se dilate tellement qu'à notre échelle il devient plat. Cela reviendrait au même en gonflant un ballon pendant très longtemps. A sa surface une fourmi dirait qu'il est plat. Ce scénario de l'inflation permet de tracer des voies vers la compréhension d'un univers plat, légèrement sphérique ou légèrement hyperbolique.

Conclusion

     Les observations deviennent de plus en plus précises. L'étau se resserre autour de la densité et de la constante cosmologique. Mais aujourd'hui rien n'est remis en cause. Les théories lorsqu'elles ne sont pas confirmées, ne sont pas démenties. L'universalité des lois de la physique dans l'ensemble de l'univers, se confirme chaque jour. La vitesse de la lumière est identique partout. Dans un quasar situé à des milliards d'années-lumière de nous, existent les mêmes éléments chimiques que sur Terre. Il en est de même avec la constante de gravitation qui est identique dans toutes les parties de l'univers ou bien avec les forces qui régissent tous les atomes.

    Le grand bouleversement auquel nous assistons est dû à l'apparition de matériels de plus en plus performants, que ce soit les télescopes, les accélérateurs de particules, les ordinateurs et les satellites. 

retour à matière noire (Mc Gaugh)

 Les résultats furent publiés dans NATURE le 27 avril 2000. 

Documents Nasa, Boomerang, Ciel et Espace n° 361, National Science Fundation.

Expérience WMAP

  Nous savons depuis le février 2003 que ces mesures ont été affinées. L'âge de l'Univers est maintenant connu à 1% soit: 13,7 milliards d'années. Ensuite l'Univers est plat et il est en expansion rapide. 

Voir: Univers, premières lueurs.  Univers   galaxie

COBE: http://space.gsfc.nasa.gov/astro/cobe/cobe_home.html

 

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