vignette|droite|redresse=1.5|Carte complète du CMB, selon une projection de Mollweide, méthode qui déroule une sphère sur un plan tout en conservant les surfaces, ce qui .. Cette carte montre les fluctuations ou anisotropies de températures de l'Univers primordial. Ces et des amas de galaxies. Photomontage de clichés pris par le télescope spatial Planck.
Le fond diffus cosmologique (FDC, ou CMB pour l'anglais , « fond cosmique de micro-ondes ») est un rayonnement électromagnétique très homogène qui remplit tout l'espace dans l'Univers observable (d'où l'adjectif "cosmologique", du grec "cosmos", synonyme d'Univers). Son pic d'émission est situé dans le domaine des micro-ondes. Il est qualifié de diffus parce qu'il ne provient pas d'une ou de plusieurs sources localisées.
Prévu dès 1948 et découvert par hasard en 1964, le fond diffus permet à la communauté scientifique de départager les différents modèles cosmologiques, notamment en abandonnant les modèles fondés sur le principe cosmologique parfait et en donnant la priorité aux modèles basés sur l'idée de Big Bang, qui prédisent l'émission d'un tel rayonnement thermique à l'époque de l'Univers primordial.
Selon le modèle standard de la cosmologie, ce rayonnement a été émis environ après le Big Bang (ce qui fait qu'on l'appelle aussi rayonnement fossile), alors que l'Univers observable était encore beaucoup plus petit, dense et chaud (de l'ordre de ) qu'aujourd'hui. Dilué et refroidi par l'expansion de l'Univers, il possède désormais une température moyenne très basse, de l'ordre de . Le fond diffus cosmologique est très étudié depuis sa découverte pour deux raisons : il correspond à la plus vieille image électromagnétique qu'il est possible d'obtenir de l'Univers et il présente d'infimes variations de température et d'intensité selon la direction observée, des anisotropies détaillées depuis le début des années 1990 qui permettent de recueillir quantité d'informations sur la structure, l'âge et l'évolution de l'Univers.
Prolégomènes
Selon le modèle du Big Bang, dans les premiers millénaires de son existence, l'Univers est notablement plus petit et comprend un plasma de particules (protons, électrons, photons…). Par la suite, il prend de l'expansion tout en refroidissant. Jusque vers , les conditions sont telles que tous les photons sont continuellement échangés entre les électrons, ces derniers formant une « mer » d'où les photons ne peuvent s'échapper..
L'Univers, poursuivant son expansion, refroidit encore plus, tout en restant très homogène. Cette diminution de température permet la recombinaison : les électrons et les noyaux atomiques se lient, formant des atomes. La « mer » électronique ayant cessé d'exister, les photons peuvent désormais circuler librement dans l'Univers, devenu « transparent ». Quelle que soit l'époque considérée, ils sont donc partout dans l'Univers, à l'exception des corps célestes constitués de la matière « ordinaire » (planètes, astéroïdes, poussières…) qui sont imperméables aux photons. Pour n'importe quel observateur, un sous-ensemble de ces photons forme une sphère centrée sur lui, c'est la surface de dernière diffusion.
À notre époque, ces photons font partie du domaine des micro-ondes du fait de l'expansion de l'Univers qui a étiré leur longueur d'onde. Ensemble, ils constituent le fond diffus cosmologique (ou CMB pour ). Les photons présentent des caractéristiques mesurables : énergie et polarisation. Depuis la découverte du CMB dans les années 1960, en raison de limitations technologiques, les scientifiques ont principalement étudié l'énergie des photons du CMB, permettant de vérifier que leur spectre électromagnétique était celui du corps noir à une température témoignant de l'expansion de l'univers.
La communauté scientifique est parvenue à établir, par tâtonnements, études et débats, la nature du CMB et l'histoire de l'Univers grâce à des travaux, commencés au début du , qui se poursuivent aujourd'hui.
Prédiction et découverte
Le terme « fond diffus cosmologique » est abrégé en FDC, sigle utilisé en français.. Le terme anglais (CMBR) se traduit par « rayonnement du fond (de) micro-ondes cosmique », alors que (CMB) se traduit par « fond (de) micro-ondes cosmique ». (dans la boîte de dialogue de gauche, écrire « »).. La littérature scientifique utilise volontiers le sigle CMB.. Le terme « fond diffus cosmologique » a plusieurs synonymes.
En 1896, Charles Édouard Guillaume écrit que la température de la est de Cité dans .. En 1926, Arthur Eddington estime la température du rayonnement non thermique des étoiles de la galaxie : Cité dans .. En 1938, l'astronome S. W. Adams découvre des raies d'excitation émises par les molécules CN d'étoiles. À cette époque, aucun chercheur n'est capable d'expliquer leur origine. Toutefois, des scientifiques mesurent leur température d'excitation : . En 1946, Robert Dicke prédit que la température du est d'environ , mais ne mentionne aucun rayonnement de fond...
C'est en 1931 que Georges Lemaître énonce sa théorie de l'atome primitif pour décrire l'expansion de l'Univers, affirmant qu'à ses débuts, l'Univers est contenu dans un seul atome . Selon ce modèle, l'Univers, qui est à la fois homogène et isotrope., croît de façon exponentielle à partir d'une masse contenant une immense quantité d'énergie. Albert Einstein rejette ce modèle, car il ne croit qu'à un Univers statique ; son influence est telle que les chercheurs rejettent à leur tour l'hypothèse de Lemaître.. Pourtant, en 1948, s'appuyant sur les travaux de Lemaître, George Gamow, Ralph Alpher et Robert Herman publient des modèles du Big Bang et prédisent pour la première fois l'existence du fond diffus cosmologique.... Dans les articles, les trois scientifiques estiment sa température à . D'autres scientifiques ont estimé la température moyenne de l'espace intersidéral, mais leurs calculs étaient entachés d'erreurs.. Par exemple, Arthur Eddington a calculé une dont la valeur proche du CMB était une coïncidence : elle correspondait au rayonnement des étoiles de notre galaxie et pas au spectre électromagnétique remplissant l'Univers.. Les prédictions de Gamow, Alpher et Herman sont discutées lors de plusieurs congrès en physique de 1948 à 1955, jusqu'à ce que les deux derniers soient embauchés à l’ (Laboratoire de physique appliquée) de l'université Johns-Hopkins, ce qui met fin à leurs recherches sur le CMB. Ce sujet n'est pas évoqué par la communauté astronomique dominante de cette époque, parce qu'elle n'est pas intriguée par les perspectives de la cosmologie.
vignette|gauche|redresse=1.5|L'antenne cornet de qui a permis à Penzias et Wilson la découverte du CMB. Les signaux électromagnétiques entrent à la droite, sont concentrés par l'« entonnoir » tout en étant dirigés vers les instruments dans le petit bâtiment à la gauche. Après étude des raies d'absorption fines du spectre d'étoiles, l'astronome Andrew McKellar écrit en 1941 : Sans le deviner, il a En 1955, dans une étude du ciel, Émile Le Roux de l'observatoire de radio de Nançay rapporte un rayonnement de fond presque isotrope à .. En 1957, Tigran Shmaonov rapporte que .. Il indique que l'intensité du rayonnement est indépendante du temps ou de la direction de l'observation.. Dans les , Iakov Zeldovitch et Robert Dicke prédisent à nouveau l'existence du CMB. Dans un court article publié au printemps 1964, les astrophysiciens Andreï Dorochkevitch et Igor Novikov sont les premiers à annoncer la possibilité de détecter le fond diffus cosmologique.. En 1964, David Todd Wilkinson et Peter Roll, collègues de Dicke à l'université de Princeton, commencent à construire un radiomètre selon les plans de Dicke dans le but de détecter le CMB..
Toujours en 1964, les physiciens américains Arno Penzias et Robert Woodrow Wilson, travaillant au dans le New Jersey, complètent la construction d'un radiomètre de Dicke dans le but d'étudier les phénomènes radioastronomiques et les communications par satellites. Le , ils démontrent sans ambiguïté l'existence du CMB., même si l'instrument présente une température de bruit supérieureEn électronique, la température de bruit est proportionnelle à la fréquence du bruit électronique. à , ce qu'ils ignorent.. Lors d'une rencontre, les chercheurs de Princeton et des Bell Labs déterminent que le rayonnement du CMB est responsable de l'excédent de température de l'antenne.. La découverte de Penzias et Wilson, annoncée en 1965., constitue le point culminant de plusieurs années de recherche.. Dans l'article, ils expliquent qu'il s'agit d'un . Les deux Américains sont récompensés du prix Nobel de physique de 1978 pour leur découverte fortuite. Ce bruit de fond électromagnétique, presque isotrope, n'est pas lié à une étoile, une galaxie ou tout autre corps céleste. ..
L'existence du CMB prête à débats dans les parce que quelques partisans de la théorie de l'état stationnaire soutiennent que le CMB est la conséquence de la diffusion de la lumière stellaire issue de lointaines galaxies.. Toutefois, dans les années 1970, un consensus émerge : le CMB est un résidu du Big Bang. En effet, des mesures plus précises sur une plus large gamme de fréquences démontrent que son spectre thermique est identique à celui d'un corps noir, ce que la théorie de l'état stationnaire est incapable d'expliquer..
Harrison., Peebles et Yu. et Zeldovitch. concluent tous les quatre que l'Univers naissant montrerait de petites inhomogénéités (de l'ordre de 10−4 à 10−5). Rashid Sunyaev calcule plus tard l'empreinte observable () que ces inhomogénéités auraient sur le CMB.. Des instruments de mesure de plus en plus précis, installés au sol, permettent de réduire les incertitudes des mesures de l'anisotropie du CMB durant les . RELIKT-1, expérience soviétique sur l'anisotropie du CMB à bord du satellite (lancé le ), réduit la limite supérieure d'incertitude sur les anisotropies à grande échelle. La mission COBE de la NASA démontre hors de tout doute les anisotropies ; les résultats sont publiés en 1992... Respectivement responsable de deux instruments ayant permis cette découverte, George Fitzgerald Smoot et John C. Mather reçoivent le prix Nobel de physique de 2006..
Missions d'observations
À la suite de la découverte du CMB, des centaines d'études ont été menées pour le caractériserPar exemple, discutent de dizaines d'expériences menées dans ce but.. Par exemple, une collaboration italo-américaine, commencée en 1979 et poursuivie au moins jusqu'en 1984, confirme que le CMB se comporte comme un corps noir ; , une collaboration de l'ESO et du MIT confirme que le CMB est issu d'un phénomène cosmologique et non pas d'un objet céleste. La mission Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA, menée de 1989 à 1996, détecte et quantifie les anisotropies à grande échelle..
vignette|redresse=1.5|Améliorations successives des observations des anisotropies (ou fluctuations) du CMB. De haut en bas : 1. Découverte du CMB en 1964, qui apparaît parfaitement uniforme ; 2. Carte des anisotropies dressée à partir des mesures du satellite COBE (1992) ; 3. Carte des anisotropies dressée à partir des mesures du satellite WMAP (2003) ; 4. Carte des anisotropies dressée à partir des mesures du satellite Planck (2013).La barre horizontale des images de 1964 et 1992 sont des contributions d'avant-plan dues à la Voie Lactée. Ce bruit a été retiré des images de 2003 et 2013. Dans les années 1990, parce que les mesures à grande échelle ne peuvent mettre en évidence les irrégularités du fond diffus, une série d'expériences est menée à partir du sol terrestre ou à bord de ballons stratosphériques pour mesurer les anisotropies à petites échelles angulaires.