Cosmic Background Explorer - Définition

Introduction

Le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) fut lancé pour procéder à l'étude du fond diffus cosmologique. Le fond diffus cosmologique est le rayonnement électromagnétique issu de la phase dense et chaude de l'univers primordial. Il a été émis environ 380 000 ans après le Big Bang. Le modèle standard de la cosmologie prédisait que ce rayonnement devait présenter un spectre électromagnétique de corps noir, car il devait avoir été émis très tôt dans l'histoire de l'univers, à l'époque où les interactions entre lumière et matière devaient être suffisamment importantes pour atteindre un équilibre thermique parfait. De plus, ce rayonnement ne devait pas être parfaitement uniforme, mais fonction de la direction d'observation. Si l'univers présente aujourd'hui des structures (galaxies, amas de galaxies), les germes de ces structures devaient exister à l'époque de l'émission du fond diffus cosmologique, sous la forme d'infimes surdensités, qui devaient apparaître comme plus chaudes. En 1989, date du lancement de COBE, ni la forme exacte de corps noir du fond diffus cosmologique, ni la présence de ces fluctuations de température n'avaient été détectées. La mission COBE a rempli ces deux objectifs (voir ci-dessous), dont l'importance a été reconnue en 2006 par l'attribution du Prix Nobel de physique à John C. Mather et George Fitzgerald Smoot, responsables des deux instruments qui ont permis les mesures (FIRAS et DMR respectivement).

Caractéristiques

Le satellite COBE fut lancé le 18 novembre 1989 (après un retard dû à l'explosion de la navette spatiale Challenger), et placé sur une orbite à 900 km d'altitude. À cette altitude le satellite ne subit qu'une faible influence de la Terre et évite les éléments qui pourraient perturber ses mesures à une altitude plus élevée. Il est en rotation sur lui-même et effectue ainsi un tour par minute. Cette technique d'observation a pour but de permettre aux instruments du satellite d'observer l'ensemble des régions du ciel en un temps bref. La longue durée de vie du satellite permet l'observation répétée un grand nombre de fois de chaque région du ciel, et ce de façon à minimiser les problèmes liés à la non constance des performances des différents détecteurs.

Résultats

Dès 1990, et seulement quelques minutes après la mise en service de l'instrument FIRAS, les observations de COBE permirent de confirmer la nature thermique du rayonnement cosmologique selon la loi du corps noir de Planck avec une température de 2,728 K. Du fait de la structure de l'instrument FIRAS, la précision du spectre de corps noir était meilleure que celle de sa température absolue (0,001% contre 0,1%). Ce résultat constitua une preuve extrêmement solide de la validité du modèle de Big Bang. Les résultats de l'expérience DMR se firent attendre plus d'un an, du fait, là encore, de la structure de l'instrument qui ne lui permettait de donner la pleine mesure de ses capacités qu'après un très grand nombre d'observations redondantes de différentes régions du ciel. Les premiers résultats officiels furent annoncés le 23 avril 1992, et furent accueillis comme un événement majeur dans le domaine de l'astrophysique. L'analyse détaillée des fluctuations de température du fond diffus cosmologique, considérablement améliorée depuis, a permis la mesure précise de la plupart des paramètres cosmologiques et l'émergence de ce qui est aujourd'hui (2006) appelé le modèle standard de la cosmologie.

Instruments

Afin de mener à bien ses observations, il embarquait trois instruments principaux :

• DMR (Differential Microwave Radiometer), dont la fonction était de détecter des différences de température entre différentes régions du ciel,
• FIRAS (Far InfraRed Absolute Spectrometer) dont la fonction était de mesurer très précisément le spectre du fond diffus cosmologique en comparant celui-ci à un corps noir artificiel embarqué à bord du satellite,
• DIRBE (Diffuse InfraRed Background Experiment), dont la fonction était l'observation du ciel dans le domaine infrarouge, correspondant à des longueurs d'onde légèrement supérieures à celle du fond diffus cosmologique.

DMR et FIRAS avaient pour mission de tester le paradigme en vigueur à l'époque (et confirmé depuis), à savoir le fait que le fond diffus cosmologique avait été émis très tôt dans l'histoire de l'univers, mais qu'à l'époque celui-ci montrait déjà les germes de ce qui allait devenir plusieurs centaines de millions d'années plus tard les premières galaxies. DIRBE avait pour mission de détecter le rayonnement émis par ces premières galaxies dont très peu étaient connues à l'époque.

DMR

Schéma du flux de données du DMR.

Cet appareil est constitué d'un ensemble de trois radiomètres différentiels effectuant des mesures sur des longueurs d'onde distinctes, 3,7 mm, 5,7 mm, 9,6 mm, ce qui correspond à des fréquences de 81, 52 et 31 GHz respectivement. Un radiomètre est un instrument qui mesure les intensités relatives du rayonnement pour une longueur d'onde donnée. La raison de l'utilisation de mesures dans trois longueurs d'onde différentes tient au fait que, pour être certain que les différences de température observées proviennent effectivement de l'émission du fond diffus cosmologique et non de rayonnements d'avant-plan (lumière zodiacale, rayonnement synchrotron ou free-free de la Voie lactée, effet Sunyaev-Zel'dovich, etc.), il faut que les différences d'intensité lumineuse dans chacune de ces longueurs d'onde satisfassent à certaines relations. Par exemple, un corps noir chaud émettra plus qu'un corps noir froid quelle que soit la longueur d'onde observée. Si DMR observe une région plus lumineuse qu'une autre à 3,7 mm de longueur d'onde, mais moins lumineuse à 5,7 mm, il est certain qu'une partie significative du rayonnement observé n'est pas due à une variation d'intensité du fond diffus cosmologique. L'utilisation d'un grand nombre de longueurs d'onde permet donc une certaine redondance de façon à éliminer au mieux tout artefact lié à la présence de rayonnement d'avant-plan.

FIRAS

Diagramme du chemin optique de FIRAS.

Cet appareil est essentiellement constitué d'un spectrophotomètre : il compare à l'aide d'un interféromètre de Michelson le spectre du rayonnement cosmologique reçu depuis une région du ciel de 7° avec celui d'un corps noir de référence embarqué à bord du satellite. Le rayonnement est ensuite divisé en deux faisceaux que l'on fait interférer. Des figures d'interférences ainsi formées, on déduit finalement la nature du spectre du rayonnement par analyse de Fourrier.
Tout comme le précédent, cet instrument acquiert sa précision de par son analyse différentielle.

DIRBE

Diagramme du chemin optique du DIRBE.

Cet appareil est un photomètre à infrarouge qui mesure l'intensité des rayonnements émis par les premières générations d'objets célestes. Il opère dans le domaine infrarouge lointain.