La première lumière

47 000 à 380 000 ans

La matière prend la main

Vers la vingtième minute, la fabrique des noyaux a fermé. L'Univers contient désormais, en masse, trois quarts d'hydrogène et un quart d'hélium, avec des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium fields2014pdg(→ chap. 5). Ces noyaux baignent au milieu d'électrons libres et d'un nombre énorme de photons, environ un milliard et demi par noyau d'hydrogène ou par nucléon Fields 2020¹. Les neutrinos, qui ne touchent plus à rien depuis la première seconde, traversent le tout sans s'y arrêter (→ chap. 4). La matière noire est là aussi, et elle ne se mêle pas au reste autrement que par la gravité.

À ce moment, l'énergie de l'Univers est surtout portée par le rayonnement, c'est-à-dire par les photons et par les autres particules qui se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière. La matière, bien que présente, pèse moins que la lumière qui l'entoure. Cette hiérarchie ne dure pas. Vers 47 000 ans, la densité d'énergie de la matière dépasse celle du rayonnement wiki-chrono. Rapporté à une année cosmique, où toute l'histoire de l'Univers tiendrait en douze mois, ce basculement a lieu moins de deux minutes après minuit, le 1er janvier².

Le basculement vient de ce que l'expansion dilue ces deux formes d'énergie à des rythmes différents. Quand l'espace s'étire, la matière se dilue simplement parce que le même nombre de particules occupe un volume plus grand. Le rayonnement se dilue de la même manière, mais il perd aussi de l'énergie par un second effet : chaque photon voit sa longueur d'onde étirée avec l'espace, et un photon de plus grande longueur d'onde porte moins d'énergie. Le rayonnement s'affaiblit donc plus vite que la matière, et quel que soit l'écart de départ, la matière finit par l'emporter³. La date du croisement dépend seulement du rapport initial entre les deux, que fixent la quantité de matière et le nombre de particules légères.

Cette date a une conséquence physique précise : à partir d'elle, la gravité peut commencer à amplifier les petites inégalités de densité wiki-chrono. Ces inégalités existent depuis bien avant. Le chapitre sur l'inflation a raconté comment des tremblements quantiques, étirés aux dimensions du cosmos, ont laissé partout de minuscules écarts de densité : ici un peu plus de matière, là un peu moins (→ chap. 3)esa2013planck. Tant que le rayonnement domine, ces écarts restent à peu près au même niveau. Quand la matière prend la main, les régions un peu plus denses attirent un peu plus fort, la matière voisine y tombe, et l'écart se creuse⁴. C'est le premier pas d'un processus qui, des centaines de millions d'années plus tard, donnera les premières galaxies (→ chap. 9).

Rien de tout cela ne serait visible pour un observateur de l'époque, même s'il avait existé. L'Univers est un plasma, un gaz dont les électrons ne sont pas attachés aux noyaux. Les photons y diffusent sans cesse sur ces électrons libres : chacun parcourt une courte distance, heurte un électron, repart dans une direction quelconque, en heurte un autre wiki-recombwiki-chrono. Un photon ne garde jamais sa direction assez longtemps pour porter une image. L'Univers est opaque, à la manière d'un brouillard très dense, où la lumière est partout mais où l'on ne voit rien, parce que chaque rayon a été dévié mille fois avant d'arriver.

Un brouillard qui vibre

Ce brouillard n'est pas immobile. Deux forces s'y opposent, et leur affrontement le met en vibration.

La première est la gravité. Elle attire la matière vers les régions un peu plus denses. Dans l'Univers d'alors comme aujourd'hui, l'essentiel de la matière est de la matière noire : Planck mesure une densité de matière noire environ cinq fois et demie plus grande que celle de la matière ordinaire planck2018tab⁵. C'est donc surtout la matière noire qui creuse les puits de gravité, et c'est vers ces puits que tombe le reste.

La seconde force est la pression de la lumière. Les photons, par leurs collisions incessantes avec les électrons, sont liés à eux ; les électrons, par l'attraction électrique, restent liés aux noyaux. Noyaux, électrons et photons se comportent ainsi comme un seul fluide⁶. Quand la gravité comprime ce fluide dans une région, les photons s'y entassent, et leur pression, qui croît avec la compression, le repousse. Le fluide se détend, dépasse sa position d'équilibre, retombe sous l'effet de la gravité, est de nouveau repoussé. Une compression suivie d'une détente, répétée, c'est une onde sonore : le plasma primordial est parcouru par des ondes de pression, exactement comme l'air l'est par le son wiki-cmb.

La matière noire ne participe pas à cette danse. Elle n'interagit pas avec la lumière, et la pression des photons n'a donc aucune prise sur elle⁷. Elle reste dans ses puits, qu'elle continue de creuser, pendant que le fluide de matière ordinaire et de lumière oscille au-dessus. La gravité fournit le ressort, la lumière fournit la raideur, et le fluide oscille entre les deux.

L'image de l'instrument de musique est juste, et elle servira dans tout le chapitre. Les ondes sonores du plasma ont toutes démarré au même moment, quand les fluctuations laissées par l'inflation se sont trouvées en place au début de l'Univers chaud ; le chapitre sur l'inflation a expliqué pourquoi ce départ en phase, comme des cordes pincées d'un seul coup, est ce qui rend les pics observables (→ chap. 3). Une onde met un certain temps à accomplir une compression et une détente, et ce temps dépend de sa taille : une petite région oscille vite, une grande lentement. À un instant donné, les ondes de différentes tailles ne sont donc pas au même point de leur cycle. Certaines sont au plus fort de leur compression, d'autres au creux de leur détente, d'autres entre les deux.

Il existe aussi une distance maximale que le son a pu parcourir depuis le début de l'Univers chaud jusqu'au moment où le brouillard se lève. Planck la calcule : environ 144 mégaparsecs, mesurés à l'échelle d'aujourd'hui, soit de l'ordre de 470 millions d'années-lumière planck2018tab⁸. Cette longueur, qu'on appelle l'horizon sonore, est la règle graduée que le chapitre suivant utilisera pour arpenter l'Univers (→ chap. 7). Pour l'instant, il suffit de retenir que le plasma vibre, sur une gamme d'échelles bornée par cet horizon, et que l'état de sa vibration change à chaque instant. Il reste à savoir à quel instant cette vibration sera figée, et pourquoi si tard.

Pourquoi si tard : le milliard de photons

Pour que le brouillard se lève, il faut que les électrons cessent d'être libres, c'est-à-dire qu'ils se lient aux noyaux pour former des atomes neutres. Un atome neutre n'arrête presque pas la lumière : un photon peut le croiser sans être dévié. Tout dépend donc du moment où l'hydrogène, qui forme l'essentiel des atomes, peut garder son électron.

L'énergie nécessaire pour arracher l'électron d'un atome d'hydrogène vaut 13,6 électronvolts (eV), l'unité d'énergie usuelle à l'échelle des atomes wiki-recomb. On peut la traduire en température : c'est l'énergie typique des photons d'un rayonnement de l'ordre de 10⁵ K, environ 150 000 degrés⁹. Un raisonnement naïf dirait donc que les atomes se forment dès que l'Univers descend sous cette température. Or il faut attendre qu'il tombe vers 3 000 K, cinquante fois plus bas wiki-recombwiki-cmb.

La raison est la même que celle qui a retardé la fusion de trois minutes au chapitre précédent (→ chap. 5). La température ne mesure que l'énergie typique des photons ; leurs énergies sont étalées autour de cette valeur, et une petite fraction en porte beaucoup plus¹⁰. Quand l'Univers est à 10 000 K, les photons capables d'ioniser l'hydrogène ne sont qu'une infime minorité. Mais il y a environ un milliard de photons par baryon wiki-recomb, et une infime minorité d'un milliard reste une foule. Chaque atome qui se forme rencontre presque aussitôt un photon assez énergique pour le défaire. La queue de haute énergie de la distribution des photons suffit ainsi à réioniser les atomes tant que la température ne descend pas vers 3 000 à 4 000 K wiki-recomb.

Ce nombre de photons par baryon est l'inverse d'une grandeur que le livre a déjà rencontrée : le rapport baryons/photons, noté η. Planck le mesure à η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰ Fields 2020, soit environ 1,6 milliard de photons par baryon. Le même nombre, né d'un léger excès de la matière sur l'antimatière dans la soupe primordiale (→ chap. 4), décide deux fois du calendrier de l'Univers. Il a retardé la formation du deutérium jusqu'à ce que la température tombe vingt fois sous l'énergie de liaison de ce noyau ; il retarde la formation des atomes jusqu'à ce qu'elle tombe cinquante fois sous l'énergie de liaison de l'hydrogène. Les deux énergies diffèrent d'un facteur cent mille, l'une se compte en millions d'électronvolts, l'autre en électronvolts, mais la logique est identique.

Un calcul d'ordre de grandeur, calqué sur celui du chapitre précédent, retrouve l'essentiel. Les atomes survivent quand le nombre de photons ionisants par baryon passe sous l'unité. Avec 1,6 milliard de photons par baryon, cela arrive quand la température est descendue environ vingt fois sous l'énergie d'ionisation, soit vers 6 000 à 7 000 K¹¹. Le calcul grossier tombe à un facteur deux de la valeur réelle ; les facteurs qu'il néglige suffisent à combler l'écart, mais leur détail n'est pas documenté dans les sources de ce livre. L'essentiel est acquis : la recombinaison est tardive parce que la lumière est innombrable, pas parce que l'atome serait fragile.

La recombinaison se produit donc vers 3 000 K, quand l'Univers a environ 380 000 ans, à un décalage vers le rouge z ≈ 1 100 wiki-cmbwiki-recomb. Le décalage vers le rouge mesure de combien l'Univers s'est étiré depuis : 1 + z est le rapport entre la taille de l'Univers aujourd'hui et sa taille au moment où la lumière est partie Hogg 1999. À z ≈ 1 100, les distances entre les amas de matière étaient environ 1 100 fois plus petites qu'aujourd'hui.

Le mot « recombinaison » est d'ailleurs mal choisi, et il faut le prendre pour un nom propre : électrons et noyaux n'avaient jamais été combinés auparavant. C'est la première fois, dans l'histoire de l'Univers, que des atomes neutres existent en quantité¹².

Le brouillard se lève

La recombinaison n'a pas lieu en un instant. À mesure que la température baisse, la proportion d'atomes neutres augmente progressivement, et la lumière trouve de moins en moins d'électrons libres sur son chemin.

Planck situe la « surface de dernière diffusion » à z = 1089,92 ± 0,25 planck2018tab. Cette surface est définie par une grandeur appelée profondeur optique, qui compte, pour un photon, le nombre moyen de diffusions qui lui restent à subir d'un instant donné jusqu'à aujourd'hui. Quand elle vaut 1, un photon n'a plus, en moyenne, qu'une seule diffusion devant lui : au-delà, il file en ligne droite. C'est ce seuil que Planck place à z ≈ 1 090 planck2018tab. Mais à ce moment l'Univers n'est pas encore entièrement neutre : il ne l'est à 90 % que vers z ≈ 1 070 wiki-recomb. Entre les deux, l'Univers s'est encore étiré de près de 2 %, et le processus s'étend de part et d'autre bien au-delà de cet intervalle.

Deux processus distincts se superposent ici, très proches dans le temps wiki-recomb. La recombinaison est un événement de la matière : des électrons se lient à des noyaux et forment des atomes. Le découplage est un événement de la lumière : les photons cessent d'être diffusés et voyagent librement. Le second découle du premier, puisque ce sont les électrons libres qui arrêtent la lumière, mais ils ne coïncident pas. Il suffit qu'il reste trop peu d'électrons libres pour qu'un photon en rencontre un avant que l'expansion ne les éloigne encore, et le découplage peut survenir alors que la recombinaison n'est pas achevée¹³.

Cette progressivité se lit dans les dates. Le tableau de référence du Particle Data Group, calculé avec les paramètres de Planck, donne un âge de 372 900 ans pour z = 1 089,9 pdg2019-astro. Les synthèses usuelles parlent de 378 000 ou 379 000 ans wiki-recombwiki-cmb, l'Agence spatiale européenne de 380 000 ans esa2013planck. Ces chiffres ne se contredisent pas. Ils désignent des moments un peu différents d'une même transition, et ils sont tous calculés dans le modèle cosmologique standard ; le chiffre rond de 380 000 ans résume une fenêtre, pas un instant.

Quand le brouillard se lève, chaque photon part dans la direction de sa dernière diffusion et ne la quitte plus. Il emporte avec lui l'état du plasma à l'endroit et au moment où il l'a quitté. Là où le plasma était comprimé, il était un peu plus chaud ; là où il était détendu, un peu plus froid ; et le puits de gravité d'où le photon doit s'extraire modifie encore son énergie¹⁴. Les ondes sonores cessent au même moment : privé de la pression des photons, le fluide de matière ordinaire n'a plus de raideur, et les oscillations s'arrêtent là où elles en étaient. La lumière libérée garde la photographie de cet arrêt : les ondes y sont figées, chacune au point de son cycle où la libération l'a surprise.

La surface de dernière diffusion nous entoure comme une sphère. Nous recevons aujourd'hui les photons partis de tous ses points à la même époque, et qui ont voyagé exactement le temps nécessaire pour nous atteindre maintenant. La matière qui a émis cette lumière se trouve aujourd'hui, en tenant compte de l'expansion, à environ 13,9 milliards de parsecs, soit environ 45 milliards d'années-lumière planck2018tab¹⁵. Au moment de l'émission, elle n'était qu'à une quarantaine de millions d'années-lumière de la matière qui allait devenir notre Galaxie¹⁵.

Il faut en tirer la conséquence pour tout ce qui précède. Aucune lumière ne peut nous parvenir d'avant 380 000 ans, parce que l'Univers était opaque : tout photon émis plus tôt a été diffusé, redirigé, brassé, jusqu'à la dernière diffusion wiki-chrono. Regarder plus loin que la surface de dernière diffusion revient à regarder dans un nuage. Sur l'axe de ce que nous pouvons voir, 380 000 ans est une limite de l'observation, et non une limite de l'histoire : c'est un mur, pas un début. Tout ce que les chapitres précédents ont raconté s'est déroulé derrière ce mur, et n'en est connu que par des traces indirectes, les abondances des noyaux légers ou l'empreinte que les fluctuations primordiales ont laissée dans la lumière elle-même.

Ce mur n'est opaque que pour la lumière. Les neutrinos, découplés dès la première seconde, forment un fond fossile qui a traversé le plasma sans s'y arrêter (→ chap. 4) ; il n'est détecté qu'indirectement, par ses effets sur la nucléosynthèse et sur le fond diffus Fields 2020. Les ondes gravitationnelles primordiales que l'inflation devrait avoir produites traverseraient elles aussi le brouillard ; elles n'ont pas été détectées (→ chap. 3). Voir derrière le mur est donc possible en principe, avec d'autres messagers que la lumière, et hors de portée à ce jour.

De 3 000 K à 2,7 K

Les photons libérés vers 380 000 ans voyagent depuis sans être arrêtés. Mais l'espace qu'ils traversent continue de s'étirer, et leur longueur d'onde s'étire avec lui. Depuis la recombinaison, l'Univers s'est étiré d'un facteur d'environ 1 100 : c'est le sens même du décalage z ≈ 1 100 Hogg 1999. La température d'un rayonnement de ce type baisse dans la même proportion que l'étirement¹⁶. Divisons 3 000 K par 1 091, la valeur de 1 + z* : on obtient environ 2,7 K. La lumière émise à la température d'un corps incandescent nous arrive aujourd'hui à moins de trois degrés au-dessus du zéro absolu.

À cette température, le rayonnement ne se voit plus : il est dans le domaine des micro-ondes, et il vient de toutes les directions du ciel. C'est le fond diffus cosmologique, « la plus ancienne lumière de notre Univers, imprimée dans le ciel quand il n'avait que 380 000 ans » esa2013planck.

Sa température est aujourd'hui connue avec une précision extraordinaire : 2,72548 ± 0,00057 K, d'après la synthèse de l'ensemble des mesures publiée par Dale Fixsen en 2009 Fixsen 2009, soit une incertitude de deux dix-millièmes. Le calcul d'ordre de grandeur, 3 000 divisé par 1 091, tombe à un pour cent de cette valeur¹⁷.

Plus que sa température, c'est la forme de son spectre qui compte, c'est-à-dire la manière dont son énergie se répartit entre les différentes longueurs d'onde. Cette répartition est celle d'un corps noir, le rayonnement qu'émet un corps en équilibre thermique parfait, sans rien réfléchir ni laisser passer. Le fond diffus est « le spectre de corps noir le plus parfait jamais mesuré », et cette perfection signe son origine cosmologique wiki-cmb. Le raisonnement qui relie les deux est le suivant. Un corps noir naît d'un milieu opaque où matière et lumière ont longtemps échangé de l'énergie jusqu'à l'équilibre ; c'est exactement ce qu'était le plasma primordial. L'expansion, ensuite, étire toutes les longueurs d'onde dans la même proportion, ce qui conserve la forme d'un corps noir et n'abaisse que sa température¹⁸. Aucune source connue dans l'Univers actuel, étoiles, galaxies ou poussières, qui sont des mélanges de corps à des températures différentes, ne produirait un corps noir aussi pur sur tout le ciel.

Ce rayonnement fait aussi office d'horloge. Puisque sa température baisse à mesure que l'Univers s'étend, deux observateurs éloignés qui mesurent la même température du fond diffus vivent à la même époque de l'histoire cosmique ; l'Univers porte ainsi son propre thermomètre, qui donne l'heure partout à la fois pdg2019-astro¹⁹.

Sur l'année cosmique, le fond diffus est émis environ un quart d'heure après minuit, le 1er janvier wiki-chrono²⁰. La matière a pris le dessus à peine deux minutes plus tôt. Tout ce que ce livre a raconté jusqu'ici, du seuil jusqu'aux trois minutes, tient dans la première milliseconde de cette année ; tout ce qui suivra, des premières étoiles jusqu'à nous, occupe le reste des douze mois.

Un bruit dans l'antenne

Ce rayonnement avait été prévu avant d'être trouvé. En 1948, Ralph Alpher et Robert Herman, qui travaillaient sur la formation des éléments dans un Univers primordial chaud, prédisent qu'il doit en rester un rayonnement résiduel, refroidi par l'expansion jusqu'à environ 5 K wiki-cmb. L'ordre de grandeur était juste, à un facteur deux près. Le cheminement de cette prédiction entre 1948 et 1965, et la raison pour laquelle personne ne s'est mis aussitôt à chercher ce rayonnement, ne sont pas documentés dans les sources de ce livre.

La découverte vient d'ailleurs. À Crawford Hill, près de Holmdel, dans le New Jersey, les laboratoires Bell disposent d'une grande antenne cornet, une antenne en forme de pavillon évasé conçue pour recevoir des signaux très faibles Penzias 1965. Arno Penzias et Robert Wilson l'utilisent pour mesurer, à la fréquence de 4 080 mégahertz, la « température de bruit » de l'antenne : la puissance qu'elle reçoit en l'absence de toute source visée, exprimée comme la température d'un corps qui produirait ce même signal²¹. Ils connaissent les contributions attendues, celle de l'atmosphère, celle de l'antenne elle-même, celle de l'électronique. Or leur mesure dépasse la somme d'environ 3,5 K Penzias 1965. Leur première mesure date du 20 mai 1964 wiki-cmb.

La force du résultat tient à ce que ce bruit en trop résiste à toutes les explications locales. Il est le même dans toutes les directions où l'on pointe l'antenne, il n'est pas polarisé, et il ne varie pas avec les saisons entre juillet 1964 et avril 1965 Penzias 1965. Chacun de ces constats écarte une famille de suspects²². Une source terrestre ou atmosphérique dépendrait de la direction, et d'abord de la hauteur au-dessus de l'horizon. Une source liée au Système solaire varierait au fil de l'orbite de la Terre, donc des saisons. Une source dans la Galaxie serait plus forte dans la direction de la Voie lactée. Un défaut de l'instrument aurait peu de chances d'être à la fois isotrope, non polarisé et stable pendant dix mois. Reste une source qui remplit tout le ciel de la même manière, et qui n'a pas changé à l'échelle de l'année : l'Univers lui-même.

L'article qu'ils publient en 1965 porte un titre d'une sobriété d'ingénieur : « Une mesure de l'excès de température d'antenne à 4 080 Mc/s » Penzias 1965. La lecture cosmologique de cet excès, qui en fait le rayonnement prévu par Alpher et Herman, est proposée dans la foulée par d'autres physiciens, dont les sources de ce livre ne documentent pas le travail. Penzias et Wilson reçoivent le prix Nobel de physique en 1978 wiki-cmb.

Le récit tient à ce retournement. La plus vieille lumière de l'Univers entre dans la science comme un défaut, un bruit en trop qu'on cherche à éliminer d'une antenne de télécommunications. Ce qui la distingue d'un parasite, ce n'est pas sa force, mais sa régularité : elle est la même partout, tout le temps. Cette uniformité, qui a permis de l'identifier, pose aussitôt une question. Si le fond diffus porte l'état du plasma d'où sortiront les galaxies, il ne peut pas être parfaitement uniforme. Il doit porter, quelque part, la trace des inégalités de densité.

Les premières inégalités

Ces inégalités sont minuscules. Le fond diffus est isotrope, c'est-à-dire le même dans toutes les directions, à environ une part sur 25 000 près ; ses variations de température d'une direction à l'autre ont une moyenne quadratique d'un peu plus de 100 millionièmes de degré, notés μK wiki-cmb²³. Les deux chiffres se recoupent : 2,725 K divisés par 25 000 donnent environ 110 μK. Pour les voir, il faut mesurer des différences de température d'un dix-millième de degré sur un rayonnement qui n'en fait pas trois.

Avant même de les chercher, il faut retirer du ciel une variation bien plus grande, qui ne doit rien à l'Univers primordial. Le ciel micro-onde est un peu plus chaud dans une direction et un peu plus froid dans la direction opposée ; c'est ce qu'on appelle le dipôle. Son amplitude est de 3,36 millièmes de degré pdg2019-astro, une trentaine de fois plus que les fluctuations cherchées. Il vient de notre propre mouvement : le Soleil se déplace à 369,82 ± 0,11 km/s par rapport au fond diffus wiki-cmbpdg2019-astro. Quand on avance dans un bain de rayonnement, celui qui vient de l'avant est comprimé et paraît plus chaud, celui qui vient de l'arrière est étiré et paraît plus froid ; l'effet vaut, en proportion, le rapport de notre vitesse à celle de la lumière, soit environ un millième, ce qui redonne bien les 3,36 mK mesurés²⁴. Le Groupe local de galaxies, pris dans son ensemble, se déplace à 620 ± 15 km/s par rapport au même repère pdg2019-astro. Une fois le dipôle retiré, on obtient le ciel que verrait un observateur immobile par rapport à l'expansion, et c'est dans ce ciel qu'il faut chercher les inégalités primordiales.

Le premier à les trouver est le satellite COBE, de la NASA. Il établit d'abord que le fond diffus a le spectre d'un corps noir, puis il détecte les premières anisotropies, les variations de température d'une direction à l'autre. Les résultats de sa première année, publiés en 1992 par l'équipe de George Smoot, donnent une variation quadratique d'environ 30 ± 5 μK quand le ciel est lissé à l'échelle de 10° Smoot 1992. Ces variations sont compatibles avec le spectre que prévoient les modèles d'inflation, où les fluctuations ont la même amplitude à toutes les échelles Smoot 1992 ; le chapitre sur l'inflation a détaillé ce que cette compatibilité apporte à la théorie (→ chap. 3). L'équipe de COBE reçoit le prix Nobel de physique en 2006 wiki-cmb.

COBE voyait les inégalités, mais pas encore les ondes sonores. La raison est une affaire d'échelle. L'échelle angulaire caractéristique des ondes figées, telle que Planck la mesure, est d'environ 0,6° Planck 2018²⁵. Un instrument qui lisse le ciel à 10° mélange dans chacune de ses taches plusieurs centaines de ces motifs, et n'en voit que la moyenne. Les fluctuations que mesure COBE sont celles des très grandes échelles, plus grandes que l'horizon sonore, que le son n'avait pas eu le temps de parcourir avant la libération de la lumière : elles portent les inégalités primordiales telles que l'inflation les a laissées, sans la vibration du plasma. Pour entendre les notes, il fallait une vue plus fine.

Les notes de l'Univers

Cette vue plus fine arrive avec le satellite WMAP, lancé par la NASA le 30 juin 2001, qui cartographie les anisotropies sur tout le ciel avec une résolution bien meilleure et collecte ses données jusqu'au 19 août 2010 nasa-wmapwiki-cmb. Le satellite européen Planck lui succède ; ses résultats définitifs sont publiés en 2018 Planck 2018. Depuis, les télescopes au sol ACT, au Chili, et SPT, au pôle Sud, ont atteint ensemble la puissance de Planck sur certains paramètres, avec d'autres instruments et sur d'autres portions du ciel Camphuis 2025.

On ne lit pas une telle carte tache par tache. Chaque tache prise isolément est le fruit du hasard, comme une vague sur la mer. Ce qui porte l'information, c'est la statistique de l'ensemble : combien de taches de telle taille, avec quelle amplitude. On calcule donc le spectre de puissance de la carte, c'est-à-dire l'amplitude moyenne des fluctuations en fonction de leur taille angulaire wiki-cmb. L'opération est l'analogue de celle qui décompose un son en fréquences : là où l'oreille entend un accord, l'analyse montre les notes qui le composent et leur intensité.

Le spectre de puissance du fond diffus montre une série de pics wiki-cmb. Ce sont les ondes sonores figées. Chaque pic correspond à une taille d'onde qui, au moment où la lumière s'est libérée, se trouvait à un extrême de son cycle : le premier pic, aux ondes qui avaient eu tout juste le temps de se comprimer une fois ; le deuxième, à celles qui avaient eu le temps de se comprimer puis de se détendre ; le troisième, à celles qui en étaient à leur deuxième compression, et ainsi de suite²⁶. Entre les pics, les ondes surprises à mi-chemin, qui laissent peu de contraste. L'instrument avait bien des harmoniques, et la carte les a gardées.

Ces pics avaient été prédits avant d'être observés, et c'est ce qui donne à leur découverte sa portée. Les cosmologistes Wayne Hu et Scott Dodelson écrivent en 2002 que cette découverte « a établi un modèle cosmologique de travail » : un univers fait surtout de matière noire et d'énergie noire, dont les structures sont nées par instabilité gravitationnelle à partir de fluctuations quantiques produites pendant l'inflation Hu 2002.

Chaque pic répond à une question différente wiki-cmb. La taille angulaire du premier pic renseigne sur la courbure de l'Univers. La physique du plasma fixe la taille réelle des ondes ; la géométrie de l'espace que la lumière a traversé fixe la taille apparente sous laquelle nous les voyons. Dans un espace courbe, les rayons lumineux convergent ou divergent en chemin, et le même objet paraît plus grand ou plus petit que dans un espace plat²⁷. Comparer la taille réelle et la taille apparente mesure donc la courbure, et les données s'accordent avec un univers plat Hu 2002.

Le rapport entre le premier et le deuxième pic renseigne sur la densité de baryons, c'est-à-dire de matière ordinaire wiki-cmb. Les baryons alourdissent le fluide qui oscille : plus il y en a, plus les compressions, aidées par la gravité, l'emportent sur les détentes, qui la combattent. Or le premier pic correspond à une compression et le deuxième à une détente ; leur rapport pèse donc les baryons²⁸. Le troisième pic, enfin, renseigne sur la densité de matière noire wiki-cmb, qui creuse les puits dans lesquels le fluide oscille sans participer à l'oscillation.

Tout cela se résume en un modèle remarquablement économe. Le modèle de base qui décrit la carte ne compte que six paramètres ajustés : la densité de matière ordinaire, la densité de matière noire froide, l'échelle angulaire des ondes sonores, un paramètre qui décrit la manière dont les premières étoiles ont plus tard réionisé une partie du gaz et diffusé à nouveau un peu de cette lumière, et deux paramètres qui décrivent les fluctuations primordiales, leur amplitude et la manière dont elle varie avec l'échelle planck2018tab²⁹. Tout le reste, l'âge, la composition, le taux d'expansion, en est dérivé. Les neuf ans de données de WMAP restent bien ajustés par ce modèle, et réduisent d'un facteur 68 000 le volume des combinaisons de paramètres permises avant la mission Hinshaw 2013.

Les chiffres de Planck donnent la mesure de cette précision. La densité de matière ordinaire, exprimée sous la forme que les cosmologistes appellent densité physique, vaut 0,02237 ± 0,00015 ; celle de la matière noire, 0,1200 ± 0,0012 planck2018tab. L'une et l'autre sont connues à moins d'un pour cent. L'échelle angulaire des ondes sonores, la grandeur la plus directement lue sur la carte, est mesurée à 0,03 % près, et Planck souligne que ce résultat ne dépend que faiblement du modèle cosmologique Planck 2018.

C'est de la densité de matière ordinaire mesurée par Planck qu'on tire le rapport baryons/photons η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰ Fields 2020³⁰. Et c'est ici que le chapitre rejoint le précédent. Injectée dans le calcul de la nucléosynthèse, cette valeur prédit un rapport deutérium sur hydrogène de 2,559 × 10⁻⁵ ; mesuré dans des nuages de gaz lointains éclairés par des quasars, il vaut (2,55 ± 0,03) × 10⁻⁵ Fields 2020. Deux physiques sans rapport, l'une nucléaire, qui opère pendant les premières minutes, l'autre acoustique, qui opère jusqu'à 380 000 ans, pèsent la même quantité de matière ordinaire et trouvent le même résultat à un pour cent près (→ chap. 5). Aucune des deux n'a été ajustée pour s'accorder avec l'autre.

Une carte, pas encore un âge

La carte du fond diffus est la mesure la plus solide de ce livre. Son spectre de corps noir est le plus parfait jamais mesuré wiki-cmb ; son échelle angulaire est connue à 0,03 % près Planck 2018 ; trois familles d'instruments, dans l'espace et au sol, la retrouvent indépendamment Camphuis 2025. Ce que l'Univers vibrait vers 380 000 ans est enregistré là, et ne changera plus.

Mais les dates qui scandent ce livre ne se lisent pas directement sur la carte. Il faut distinguer trois étages Planck 2018planck2018tab. Au premier, on mesure : la carte, son spectre de puissance, la taille apparente des ondes. Au deuxième, on calcule la taille réelle de ces ondes, l'horizon sonore d'environ 144 mégaparsecs, avec la physique d'avant la recombinaison, c'est-à-dire avec ce que contenait l'Univers entre le début du Big Bang chaud et z ≈ 1 090. Au troisième, on déduit l'âge, la composition et le taux d'expansion actuels, en supposant une histoire de l'expansion entre la recombinaison et aujourd'hui, donc un modèle. Planck l'écrit lui-même : ses paramètres de l'Univers tardif sont « inférés » « en supposant la cosmologie ΛCDM de base » Planck 2018.

C'est ce calcul qui donne l'âge de l'Univers. WMAP l'estimait à 13,77 milliards d'années « à un demi-pour-cent près » nasa-wmap ; Planck donne aujourd'hui 13,797 ± 0,023 milliards d'années seul, et 13,787 ± 0,020 milliards d'années combiné à d'autres mesures planck2018tab. Ces marges disent la précision du calcul à l'intérieur du modèle. Elles ne disent pas ce qui arriverait si le modèle était faux, et une mesure du taux d'expansion faite autrement, avec des étoiles proches, ne s'accorde pas avec celle que prédit la carte. Le chapitre suivant démonte ce calcul, étage par étage (→ chap. 7).

Ce qu'on ne sait pas

On ne connaît pas à quelques milliers d'années près la date où la matière prend la main. Les chronologies usuelles donnent 47 000 ans wiki-chrono ; le tableau du Particle Data Group, calculé avec les paramètres de Planck, place l'égalité entre matière et rayonnement à z = 3 402, soit 51 100 ans pdg2019-astro. L'écart, de l'ordre de 10 %, ne change rien au récit, mais sa source n'est pas documentée dans ce livre : jeu de paramètres différent, ou traitement différent des neutrinos, qui comptent dans le rayonnement. Ce qui trancherait est simple : une date donnée avec le jeu de paramètres qui la produit. Il en va de même, à moindre échelle, de la recombinaison, datée entre 372 900 et 380 000 ans selon la source pdg2019-astroesa2013planck ; là, l'écart tient au moins en partie à ce que la transition est progressive et que chaque source en retient un moment différent.

On ne sait pas si la physique d'avant la recombinaison est complète. C'est la question la plus lourde du chapitre, parce que tout ce que le chapitre suivant tirera de la carte passe par elle. La carte elle-même ne montre aucun signe de physique au-delà du modèle standard : les données de Planck, d'ACT et de SPT, seules, s'y ajustent Camphuis 2025. Mais le taux d'expansion actuel que ce modèle prédit à partir de la carte, 67,19 ± 0,38 km/s par mégaparsec pour la combinaison des trois expériences, s'écarte de plus de six écarts-types de celui qu'on mesure localement avec des étoiles et des supernovas Camphuis 2025, et un écart de 2,8 écarts-types apparaît entre le fond diffus et les mesures du relevé de galaxies DESI Camphuis 2025. Selon Lloyd Knox et Marius Millea, les solutions les plus plausibles accélèrent l'expansion avant la recombinaison, ce qui réduirait l'horizon sonore, et elles sont fortement contraintes par leurs effets sur les ondes sonores et sur la diffusion des photons Knox 2020. Parmi les pistes qui obtiennent une légère préférence, entre deux et trois écarts-types, figurent justement une recombinaison modifiée et une masse de l'électron variable Camphuis 2025 : deux changements qui toucheraient la température et le moment où les atomes se forment, donc le cœur de ce chapitre. Aucune n'atteint le seuil d'une découverte. Si l'une d'elles était juste, la carte resterait la même, mais sa lecture changerait, et avec elle l'âge et le taux d'expansion qu'on en déduit.

On ne sait pas voir derrière le mur. Le fond de neutrinos fossiles, libéré dès la première seconde, n'est connu que par ses effets indirects Fields 2020 ; les ondes gravitationnelles primordiales ne sont pas détectées (→ chap. 3). Tant que ces messagers ne seront pas lus directement, tout ce qui précède 380 000 ans restera connu par ses conséquences, et non par une image. Les futurs instruments du fond diffus, comme CMB-S4, visent justement à mesurer le nombre effectif de neutrinos avec une précision de 0,03 Fields 2020, ce qui revient à peser le fond de neutrinos à travers la lumière.

Enfin, deux points d'histoire restent à consolider. Les textes originaux de Penzias et Wilson (1965) et de Smoot et ses collègues (1992) n'ont été lus, pour ce livre, qu'à travers des résumés Penzias 1965Smoot 1992 ; les chiffres cités concordent avec les synthèses, mais n'ont pas été vérifiés sur la publication. Et l'interprétation cosmologique immédiate de la découverte de 1965, par d'autres physiciens, n'est pas documentée ici.

Ce que ce chapitre démontre

Vers 47 000 ans, la densité d'énergie de la matière dépasse celle du rayonnement, parce que l'expansion affaiblit la lumière plus vite qu'elle ne dilue la matière ; la gravité peut alors commencer à creuser les inégalités de densité laissées par l'inflation wiki-chrono. L'Univers est encore un plasma opaque, où les photons diffusent sans cesse sur les électrons libres wiki-recomb. Dans ce plasma, la gravité, dominée par la matière noire, comprime les surdensités, et la pression de la lumière les repousse : il en naît des ondes sonores wiki-cmb.

Les électrons ne se lient aux noyaux que vers 3 000 K, bien que l'énergie d'ionisation de l'hydrogène, 13,6 eV, corresponde à une température cinquante fois plus haute. La raison est le nombre des photons, environ un milliard et demi par baryon (η = 6,104 × 10⁻¹⁰) : leur queue de haute énergie suffit à défaire les atomes tant que la température n'est pas tombée vers 3 000 à 4 000 K wiki-recombFields 2020. La recombinaison et le découplage des photons, deux processus distincts, se font vers 380 000 ans, à z ≈ 1 100 ; Planck place la surface de dernière diffusion à z* = 1089,92 ± 0,25, alors que l'Univers n'est neutre à 90 % que vers z ≈ 1 070 planck2018tabwiki-recomb. La lumière part alors en ligne droite et emporte les ondes figées. Avant, rien ne peut être vu en lumière : 380 000 ans est un mur de l'observation, pas le début de l'histoire.

Depuis, l'expansion a étiré cette lumière d'un facteur 1 100, de 3 000 K à 2,72548 ± 0,00057 K ; son spectre est le corps noir le plus parfait jamais mesuré, ce qui signe son origine Fixsen 2009wiki-cmb. Prédite vers 5 K par Alpher et Herman en 1948, elle est trouvée en 1964-1965 par Penzias et Wilson comme un excès de bruit de 3,5 K dans une antenne, le même dans toutes les directions, non polarisé, sans variation saisonnière wiki-cmbPenzias 1965. Une fois retiré le dipôle dû à notre mouvement à 369,82 km/s, le ciel est uniforme à une part sur 25 000 ; COBE y détecte les premières inégalités, WMAP et Planck en tirent un spectre de puissance où les pics acoustiques, prédits avant d'être vus, révèlent la courbure, la matière ordinaire et la matière noire wiki-cmbSmoot 1992Hu 2002. Six paramètres suffisent à décrire la carte planck2018tab, et la quantité de matière ordinaire qu'elle donne s'accorde à un pour cent près avec le deutérium des premières minutes Fields 2020.

La plus vieille lumière montre donc un Univers presque uniforme qui vibrait, et elle garde ses notes. On ne peut rien voir avant elle parce qu'avant elle la lumière ne voyageait pas. La carte est une mesure ; l'âge qu'on en tire est un calcul, et c'est ce calcul qu'il faut maintenant examiner.

Notes