🌌 CMB — Spectre de Puissance du Fond Diffus Cosmologique

La matière noire froide (CDM) ne se couple pas aux photons et n'oscille pas avec le fluide photon-baryon, mais elle contribue au potentiel gravitationnel total. Une densité de CDM plus élevée approfondit les puits gravitationnels qui entraînent les oscillations acoustiques, renforçant tous les pics. Elle retarde également l'égalité matière-rayonnement — l'époque où la matière commence à dominer la densité d'énergie — ce qui affecte la vitesse à laquelle les potentiels se dissipent après la recombinaison (effet Sachs-Wolfe intégré précoce), amortissant le plateau à bas ℓ. La mesure de Planck donne Ω_ch² = 0,1200 ± 0,0012.

L'effet Sachs-Wolfe ordinaire (SW) produit le plateau à grande échelle angulaire (bas ℓ) du spectre de puissance du CMB : les photons qui remontent hors des puits de potentiel gravitationnel primordiaux perdent de l'énergie (décalage vers le rouge gravitationnel), mais les régions plus denses étaient aussi plus chaudes, ce qui compense partiellement. La fluctuation de température nette est δT/T ≈ δΦ/3 pour des perturbations adiabatiques. L'effet Sachs-Wolfe intégré (ISW) résulte des photons traversant des puits de potentiel qui évoluent après la recombinaison — important à la fois aux temps précoces (proches de la recombinaison) et tardifs (ère de l'énergie noire).

Avant la recombinaison, la diffusion des photons lisse les fluctuations de densité aux échelles inférieures au libre parcours moyen des photons — un processus appelé amortissement de Silk ou amortissement par diffusion. L'échelle d'amortissement λ_D ≈ 8 Mpc au moment de la recombinaison correspond à ℓ ≅ 800–1000, où le spectre de puissance décroît de façon exponentielle. C'est pourquoi le spectre de puissance du CMB présente une nette queue d'amortissement à haut ℓ. La largeur de cette queue contraint le rapport baryon/photon et l'époque de la recombinaison.

En 1964, Arno Penzias et Robert Wilson, aux Bell Labs, calibraient une antenne cornet de 6 mètres dans le New Jersey pour les communications par satellite lorsqu'ils détectèrent un bruit micro-ondes persistant de 3,5 K provenant de toutes les directions du ciel. Après avoir écarté la présence de pigeons nichant dans l'antenne et d'autres sources terrestres, ils comprirent (avec l'aide des théoriciens de Princeton Dicke et Peebles, situés à proximité) qu'ils avaient trouvé le rayonnement relique prédit du Big Bang. Cette découverte, publiée en 1965, confirma le modèle du Big Bang face à la théorie concurrente de l'état stationnaire, et valut à Penzias et Wilson le prix Nobel de 1978.

COBE (1989-1993) a confirmé que le CMB est un corps noir presque parfait à 2,735 K et a réalisé la première carte des anisotropies de température avec une résolution de 7° (prix Nobel 2006 pour Mather et Smoot). WMAP (2001-2010) a cartographié tout le ciel avec une résolution de 0,2°, déterminant tous les paramètres cosmologiques majeurs avec une précision de l'ordre du pourcent et établissant le modèle de concordance ΛCDM. Planck (2009-2013) a atteint une résolution de 5 minutes d'arc avec 9 bandes de fréquence, mesurant le spectre de puissance jusqu'à ℓ ≈ 2500, contraignant les paramètres cosmologiques avec une précision inférieure au pourcent et détectant la polarisation en modes B due au lentillage.

Les photons du CMB sont polarisés par diffusion Thomson. Les motifs de polarisation se décomposent en modes E sans rotationnel (générés à la fois par les perturbations de densité et les ondes gravitationnelles) et en modes B sans divergence (générés uniquement par les ondes gravitationnelles à l'ordre linéaire, ou par le lentillage des modes E). Les modes B primordiaux issus des ondes gravitationnelles inflationnaires constituent la « preuve irréfutable » de l'inflation ; leur amplitude est paramétrée par le rapport tenseur-scalaire r, contraint à r < 0,036 (niveau de confiance 95%, BICEP/Keck 2021). La détection des modes B primordiaux est l'objectif principal des expériences CMB de nouvelle génération telles que CMB-S4 et LiteBIRD.

Le CMB a été émis comme un corps noir à T ≈ 3000 K au moment de la recombinaison (z ≈ 1100). Alors que l'Univers s'est dilaté d'un facteur 1100, les longueurs d'onde des photons se sont étirées du même facteur, réduisant la température à T₀ = 3000/1100 ≈ 2,73 K. C'est une conséquence directe de l'expansion de l'Univers : T ∝ 1/a(t), où a est le facteur d'échelle cosmique. L'instrument FIRAS de COBE a mesuré le spectre du CMB avec une précision exquise, trouvant T = 2,7255 ± 0,0006 K et un écart au corps noir parfait inférieur à 50 parties par million — l'une des mesures les plus précises de la cosmologie.

La nucléosynthèse primordiale standard (BBN) prédit Li-7/H ≈ 5 × 10⁻¹⁰ en utilisant la densité baryonique issue des mesures du CMB, mais les observations stellaires de vieilles étoiles du halo donnent Li-7/H ≈ 1,6 × 10⁻¹⁰ — un écart d'un facteur ~3. Puisque la mesure de la densité baryonique par le CMB est très robuste, l'écart provient très probablement de la physique stellaire (appauvrissement du lithium dans les intérieurs stellaires) plutôt que d'une nouvelle physique. La cohérence entre le Ω_bh² déduit du CMB et les observations de deutérium (à 0,2% près) donne une grande confiance dans l'exactitude de la densité baryonique mesurée par le CMB.