Un téléviseur à surveiller.

Nos vieilles télés avec leurs oreilles de lapin ont été conçues à l'origine pour capter les ondes radio de très hautes fréquences. Lorsqu'un tel appareil syntonise un canal pour lequel il n'y a aucun émetteur proche, l'écran montre beaucoup de bruit statique ou de «neige» dans le langage courant. Cette neige ou ce bruit est dû à des ondes radio captées par l'appareil et qui proviennent d'une grande diversité de sources tant naturelles que produites par l'homme, incluant même des signaux venant de très loin dans l'espace.

Dans les années 60, Arno Penzias et Robert Wilson, deux chercheurs des Laboratoires Bell au New Jersey, ont commencé à chercher l'origine des sources de ce bruit statique dans le but d'améliorer les communications avec les satellites. Ils cherchaient dans la partie «micro-ondes» du spectre radio, qui se trouve à des fréquences un peu plus élevées que les signaux typiques que reçoit un appareil télé. Ils ont découvert que peu importe où ils pointaient leur antenne spéciale, ils recevaient toujours une forme de bruit micro-onde qu'ils ne pouvaient pas expliquer. Les astrophysiciens réalisèrent éventuellement que ce bruit a été produit lors de la naissance de l'Univers il y a plusieurs milliards d'années.

Galaxies éloignées visibles dans le champ très profond dit de Hubble (HUDF). Gracieuseté de la NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) et l'équipe HUDF.

Comment un signal aussi vieux peut-il être perçu encore de nos jours? La réponse est que l'Univers est immense. Les ondes lumineuses et radio en provenance de galaxies lointaines doivent voyager pendant des millions, voire des milliards d'années, avant de nous atteindre. Plus grande est la distance entre nous et la source, plus tôt dans l'histoire de l'Univers son signal a été émis. En théorie, il devrait être possible de regarder ainsi dans le passé jusqu'aux premiers instants de l'Univers.

Selon la théorie du Big Bang, l'Univers était autrefois un endroit beaucoup plus petit et plus chaud; toute sa matière et son énergie étaient concentrées dans une soupe blanche et chaude composée de particules et de radiations. Avec l'expansion et le refroidissement, l'Univers cessa d'être blanc et chaud pour se remplir de gaz d'hydrogène qui plus tard s'aggloméra ensemble pour former les premières étoiles et les premières galaxies. Une partie du bruit statique reçue par les vieilles télés comprend un peu du rayonnement en provenance de cet Univers jeune, blanc et chaud et a mis plus de 13 milliards d'années à nous parvenir. Il ne paraît plus blanc et chaud maintenant parce qu'il a perdu une quantité énorme d'énergie. En fait, il ne ressemble plus à rien du tout parce qu'il est devenu seulement du rayonnement sous forme de micro-ondes et d'ondes radio. Les micro-ondes et les ondes radio sont une forme de rayonnement beaucoup moins énergétique que les ondes lumineuses.

Carte de tout le ciel montrant le rayonnement fossile. Gracieuseté de la NASA et de l'équipe WMAP.

Depuis la découverte de Penzias et Wilson (pour laquelle ils ont obtenu le prix Nobel), les astronomes ont continuellement cherché à mieux détecter les restes de ce bruit de micro-ondes. Il est maintenant connu sous le nom de rayonnement cosmique fossile parce que c'est ce qu'il y a de plus éloigné que nous puissions détecter. Les meilleures images complètes du rayonnement fossile nous proviennent de sondes spatiales. Les astronomes utilisent aussi des récepteurs de micro-ondes au sol pour étudier plus en détail des portions du rayonnement fossile.

L'imageur du rayonnement fossile dans la région de l'Atacama au Chili. Gracieuseté de CBI/Caltech/NSF.

Des caractéristiques particulières de ce rayonnement fossile peuvent indiquer aux astronomes combien de matière il y a dans l'Univers et combien de «matière sombre» il y a – une substance mystérieuse et invisible qui a joué un rôle très important dans la formation des galaxies. Les observations du rayonnement fossile ont aussi permis de confirmer l'existence d'une «énergie sombre», une forme d'énergie encore mal comprise qui infiltre tout l'espace et qui est responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers. Dans le futur, les astronomes espèrent en apprendre plus sur l'origine de notre Univers grâce à l'étude détaillée des propriétés du rayonnement fossile.