La découverte du rayonnement de fond cosmologique a 50 ans

Nous fêtons cette année le cinquantième anniversaire de la découverte du rayonnement de fond cosmologique micro-onde (dans le jargon des cosmologues, on emploie souvent l'acronyme anglais CMB pour « Cosmic Microwave Background » et je l'emploierai dans ce billet) par Arno Penzias et Robert Wilson, ce qui leur valut le prix Nobel de physique en 1978.

J'ai réalisé très récemment que je ne connaissais qu'une version très simplifiée de cet épisode de l'histoire des sciences, version que l'on peut résumer en quelques phrases :

En 1965, deux chercheurs, Robert Dicke et James Peebles, cherchaient à mesurer expérimentalement un rayonnement radio d'origine cosmologique, qui fournirait une preuve du modèle du Big Bang. Ils furent doublés de peu par deux ingénieurs des laboratoires Bell, Penzias et Wilson, qui découvrirent ce rayonnement par hasard, comme un bruit qu'ils n'arrivaient pas à supprimer dans une antenne qu'ils tentaient de perfectionner.

Cette histoire est factuellement plutôt correcte, mais elle laisse de côté plusieurs aspects (et plusieurs personnages !) intéressants. Je vais ici l'étoffer un peu en m'appuyant principalement sur les documents suivants, dont la lecture m'a vraiment enthousiasmé :

  • [1] L'ouvrage « Modern Cosmology in Retrospect » (Cambrige University Press, 1990), que l'on peut consulter ici, est le fruit d'une conférence sur l'histoire de la cosmologie qui s'est tenue à Bologne en mai 1988. Il a l'intérêt de faire intervenir des scientifiques qui présentent leur point de vue sur cette histoire qu'ils ont vécue. Ceci n'est pas un gage d'objectivité ni d'exactitude historique, mais certains des auteurs présentent des détails factuels et vérifiables qui n'ont pas forcément été tous très bien connus de la communauté scientifique. L'article écrit par Alpher et Hermann est particulièrement précieux à cet égard.
  • [2] Le « Masters of the Universe » de Helge Kragh (Oxford University Press, 2014) présente des interview fictives avec des grands maîtres de la cosmologie du XXe siècle, écrite par un historien des sciences qui revendique un intérêt historique à cet ouvrage. Les articles consacrés à Robert Dicke et George Gamow ont un lien direct avec le sujet abordé ici.

Tout d'abord, ce n'est pas à Robert Dicke ni à son étudiant de l'époque James Peebles que revient la primeur de la prédiction théorique du CMB. Il faut pour cela revenir deux décennies en arrière. Dans les années 1940, le physicien nucléaire George Gamow s'intéressait à la formation des noyaux lourds dans un contexte cosmologique, et avait montré qu'en partant de l'hypothèse que des réactions nucléaires d'absorption de neutrons se produisent dans un univers en expansion rapide, on pouvait expliquer certaines caractéristiques des abondances observées pour certains noyaux atomiques. Il proposa alors à son étudiant en thèse Ralph Alpher de travailler sur ces questions et celui-ci noua avec Robert Herman, qui travaillait dans un bureau voisin, une collaboration fructueuse.

Ce sont Alpher et Herman qui, en 1948, prédisent l'existence d'un rayonnement micro-onde diffus avec une température de quelques kelvins (ici). Gamow n'était pas associé à ce travail, et fut dans un premier temps réticent à accepter la réalité de ce rayonnement. C'est sans doute la stature scientifique de Gamow (l'hommage que lui rendent Alpher et Herman dans [1] est magnifique) qui explique qu'on lui attribue parfois la prédiction du CMB (un exemple d'effet Matthieu). Le fait qu'un des articles fondateurs de la nucléosynthèse (l'article dit « alpha bêta gamma ») ait été publié la même année par Alpher et Gamow contribue sans doute à la confusion.

Dans les années 1960, Robert Dicke ne connaissait pas cette prédiction d'Alpher et Herman, peut-être parce qu'il n'était pas familier avec la littérature de la physique nucléaire, le domaine d'expertise d'Alpher, Herman et Gamow. À cette époque, Dicke s'intéressait à la gravitation et avait proposé en 1961 une extension de la relativité générale (la théorie de Brans-Dicke). En cherchant des moyens de tester cette théorie, il en vint à la cosmologie. Comme beaucoup d'autres à l'époque (et maintenant), il n'était pas à l'aise avec l'idée d'un début cosmologique, et il était plutôt partisan d'un modèle cyclique, dans lequel l'Univers actuel serait issu de l'effondrement d'un univers précédent. C'est dans ce cadre qu'il propose à son étudiant James Peebles de s'intéresser aussi à ce problème. Peebles trouve alors qu'on devrait aujourd'hui baigner dans un rayonnement micro-onde, le CMB. Assisté de David T. Wilkinson (qui avait auparavant collaboré avec Dicke sur la mise au point d'un réflecteur laser installé sur la Lune par les astronautes du programme Apollo) et Peter Roll, ils montent sur le toit de leur laboratoire (à Princeton) une expérience destinée à mesurer ce rayonnement de fond.

Mais ce sont deux autres personnages, alors totalement étrangers à cette histoire, qui découvrirent ce rayonnement de fond. Arno Penzias et Robert Wilson sont deux radioastronomes qui travaillaient aux laboratoires Bell depuis le début des années 1960. Ils disposaient d'une antenne de 20 pieds de long, en forme de cornet (voir l'image ici), qui avait été utilisée pour communiquer avec des satellites (echo puis telstar) ; ils étaient intéressés par son utilisation en radioastronomie. La petite taille de cette antenne (si on la compare aux immenses paraboles qui existaient déjà à cette époque) lui conféraient certains avantages que Penzias et Wilson voulaient exploiter. Par exemple, la forme du cornet permet d'observer dans une direction donnée en étant bien protégé du rayonnement qui provient de l'arrière, ce qui permet de contrôler plus facilement les sources de bruit de fond. La multitude de tests approfondis qu'ils effectuèrent leur montrèrent la présence d'un rayonnement venu du ciel, très isotrope, ne correspondant à aucune source connue, et dont ils ne comprennent pas l'origine. Or au début de l'année 1965, Peebles soumet un article dans lequel il prédit l'existence du CMB et un collaborateur de Penzias le lui mentionne. Penzias appelle Dicke, qui se serait exclamé « we've been scooped! ». Le mystère est levé : Penzias et Wilson ont découvert un rayonnement radio d'origine cosmologique, qui conforte le modèle du Big Bang. Ceci donnera lieu à deux articles publiés dans le même numéro de Astrophysical Journal, en 1965, l'un (ici) purement instrumental, décrivant le signal reçu et signé par Penzias et Wilson, l'autre (ici) détaillant l'interprétation cosmologique de ce signal, signé par Dicke, Peebles, Wilkinson et Roll.

Penzias et Wilson furent probablement ravis d'avoir la réponse à leur problème (puis le prix Nobel), mais comme le mentionne Helge Kragh dans [3], leur pente naturelle les entraînait davantage vers le modèle de l'Univers stationnaire alors promu par Fred Hoyle, Hermann Bondi et Thomas Gold que vers celui du Big-Bang. Wilson lui-même écrit : « Although we were pleased to have some answer, both of us at first felt a little distant from cosmology. (...) I had taken my cosmology from Hoyle at Caltech, and I very much liked the steady-state universe. »

On trouvera dans [1] un grand nombre de détails passionnants sur la façon dont les travaux originaux d'Alpher et Herman ont été (souvent mal) cités pendant les années qui ont suivi la découverte du CMB en 1965. Par exemple, Alpher et Herman s'y étonnent : « (..) one can only wonder how Hawking, in his recent best-seller [A brief history of time, 1988], found it possible to state "For this, Penzias and Wilson were awarded the Nobel prize in 1978 (which seems a bit hard on Dicke and Peebles, not to mention Gamow!)" ».

Je conseille aussi vivement la lecture du paragraphe 7.2 de [3], où Helge Kragh détaille la réaction (amère) de Gamow à tout cet épisode et la place de cette histoire dans l'évolution des idées cosmologiques.

Enfin, [4] propose une approche en BD, plus légère, facile à lire, mais très bien documentée !

Bibliographie complémentaire

  • [3] « Cosmology and controversy » de Helge Kragh (Princeton University Press, 1997) dont j'ai déjà eu l'occasion de dire beaucoup de bien ici.
  • [4] « Cosmicomic » d'Amedeo Balbi et Rossano Piccioni, aux éditions Nouveau Monde, est une bande dessinée (pardon, un roman graphique) qui retrace la découverte du CMB, de façon très bien documentée.

9 commentaires pour “La découverte du rayonnement de fond cosmologique a 50 ans”

  1. patricedusud Répondre | Permalink

    Il me semble me rappeler qu' Arno Penzias et Robert Wilson ont d'abord cru que le bruit de fond pouvait être dû à des déjections de pigeons déposés sur leur antenne...

    • Richard Taillet Répondre | Permalink

      En effet, c'est une des nombreuses choses qu'ils ont testées, et ils ont en effet dû nettoyer à fond le cornet de l'antenne. En fait, ils ont même dû se débarrasser (définitivement...) des pigeons eux-mêmes !

  2. Diziet Sma Répondre | Permalink

    Le prix Nobel à deux chasseurs de pigeons et rien pour Dicke et Peebles !
    Un poil injuste quand mème.

    • Richard Taillet Répondre | Permalink

      Argh !!! Non !! Justement, c'est tout ce que j'essaie d'expliquer dans ce papier, si un prix Nobel avait dû être attribué pour la prédiction théorique, ce n'est pas à Dicke et Peeble qu'il aurait dû revenir mais à Alpher et Herman !

  3. Diziet Sma Répondre | Permalink

    Méa culpa Richard pour Alpher et Herman ; je vous ai lu un peu vite en restant cramponnée à ce que je croyais déja savoir.
    Du coup,je me demande si la BD que vous conseillez en bibliographie ne serait pas mieux adaptée à mon indécrottable cas.
    Penzias et Wilson n'arrivaient qu'en 3ème position,donc ?

    • Richard Taillet Répondre | Permalink

      Penzias et Wilson arrivent en première position, en ce qui concerne la détection expérimentale. Alpher et Herman en première position pour la prédiction théorique. Et si on veut, Dicke et Peebles en second pour les deux aspects !

      • CG Répondre | Permalink

        Si je me souviens bien, Lemaître, pour faire toucher du doigt son idée de l'atome primitif, avait aussi en son temps déroulé dans son article français un argumentaire basé sur la thermodynamique, qui parlait un rayonnement de l'ordre de quelques Kelvins (j'ai oublié la valeur).
        Mais, toujours de mémoire, la formulation du texte impose de demeurer prudent : il s'agirait d'une illustration pédagogique et non d'une prédiction théorique appelant à une vérification pratique.

  4. Diziet Sma Répondre | Permalink

    Faut vraiment que je la lise cette BD....
    Cela dit,si on compare l'histoire du CMB à celle du boson de Higgs,on s'aperçcoit que le comité Nobel a récompensé les théoriciens plutot que les découvreurs,alors que là ou il y avait 60 ans entre " l'invention " théorique et le découverte expérimentale,il n'y a plus que 16 ans dans le cas du CMB.
    Peut-on parler de choix contradictoire du jury Nobel ?

  5. CG Répondre | Permalink

    Merci pour les références ! J'ai toutefois trouvé la BD pas si extraordinairement documentée, car on y retrouve la légende habituelle de Hubble, découvreur de la relation et de la constante qui porteront son nom. On peut essayer de rationaliser ce choix en se disant que le narrateur de l'histoire est Penzias, qu'il connaît mal les débuts de l'invention du big-bang... Mais c'est décevant.
    Ah, tant mieux au fond : cela laisse de la place à d'autres BDs :).

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