Surface de dernière diffusion - Définition

Introduction

La surface de dernière diffusion est la région de l'espace d'où a été émis le rayonnement électromagnétique le plus ancien de l'univers que l'on observe aujourd'hui, le fond diffus cosmologique. Ce rayonnement a été émis environ 380 000 ans après le Big Bang, il y a environ 13,7 milliards d'années. La surface de dernière diffusion est une région sphérique centrée sur la Voie lactée. C'est la région la plus éloignée de l'univers actuellement accessible aux observations. Elle marque donc la frontière de l'univers observable. Mais, du fait de l'expansion de l'Univers, cette surface de dernière diffusion est désormais située à près de 43 milliards d'années-lumière. Telle qu'elle est et à la distance où elle est aujourd'hui, elle est évidemment inobservable.

Pourquoi y a-t-il une « dernière diffusion » ?

À ses premiers instants, l'univers est extrêmement dense et chaud. L'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique est donc immense. Cependant, l'univers reste opaque à celui-ci : tout photon est presque immédiatement absorbé par la matière environnante. À ces époques là, le gros des photons interagit principalement avec les électrons libres, qui circulent librement dans l'univers, car ceux-ci ne sont pas encore liés au noyaux atomiques. À mesure que le temps passe, l'univers, qui est en expansion, se refroidit et devient moins dense. Arrive le moment où les électrons libres peuvent alors commencer à se combiner aux noyaux atomiques pour former les premiers atomes. À ce moment-là disparaît très brusquement la principale source d'interaction entre photons et matière, les électrons, car une fois liés aux noyaux atomiques, ceux-ci interagissent très peu avec le rayonnement. L'univers devient alors brutalement transparent à la lumière, c'est ce que l'on appelle la recombinaison. Juste avant la recombinaison, les interactions entre photons et électrons se font par diffusion Thomson. Pour un photon donné, les interactions incessantes avec les électrons qui ont lieu avant la recombinaison cessent brutalement à ce moment-là, faute d'électrons libres. Les photons se mettent alors à voyager en ligne droite. Ils ont interagi avec les électrons, ou diffusé une dernière fois au moment de la recombinaison, d'où le terme de « dernière diffusion ».

Épaisseur de la surface de dernière diffusion

Le terme de « surface » de dernière diffusion reste un peu trompeur, car il suggère que les interactions entre photons et électrons étaient très nombreuses et se sont instantanément arrêtées à un instant donné. En pratique, la recombinaison ne s'est pas produite instantanément, le processus s'est étalé sur quelques dizaines de milliers d'années. Certains des photons que l'on observe dans le fond diffus cosmologique ont été émis alors que l'univers avait 350 000 ans, d'autres quand il avait 400 000 ans. La « surface » de dernière diffusion est donc plutôt une « coquille » qui possède une certaine épaisseur. Néanmoins, cette épaisseur est relativement faible par rapport à son rayon, et il n'est pas aberrant d'approximer cette coquille à une surface mince dans un premier temps. Néanmoins, le fait que l'époque de dernière diffusion soit étalée dans le temps joue un rôle tout-à-fait mesurable dans la structure à petite échelle des anisotropies du fond diffus cosmologique observées par le satellite WMAP.

Localisation de la surface de dernière diffusion

Contrairement à ce que son nom suggère, la surface de dernière diffusion n'est pas d'une région qui possède des propriétés particulières (comme la surface d'une étoile, d'où part son rayonnement), mais plutôt de l'ensemble des points de l'univers observable d'où ont été émis les photons du fond diffus cosmologique à la recombinaison et que l'on reçoit aujourd'hui. Ces points correspondent à ceux situés à une distance telle que la lumière a mis environ 13,7 milliards d'années (temps écoulé entre l'époque d'émission du fond diffus cosmologie et maintenant, correspondant à l'âge de l'univers) pour parvenir jusqu’à nous en voyageant en ligne droite. Comme l'univers est homogène et isotrope, ces points sont tous situés à distance identique de nous : la surface de dernière diffusion est une sphère centrée sur la Galaxie.

La distance qui nous sépare aujourd'hui de la surface de dernière diffusion est d'environ 43 milliards d'années lumière, soit plus de trois fois la distance qu'a parcouru la lumière du fond diffus cosmologique entre son époque d'émission et maintenant. Elle était de seulement 40 millions d'années lumière à l'époque où le rayonnement a été émis. Le rapport entre ces deux distances donne la valeur du décalage vers le rouge qu'a subi le fond diffus cosmologique entre son émission et sa réception : environ 1100. Cela signifie que les distances étaient à l'époque 1100 fois plus petites, et que l'univers était à l'époque environ un milliard de fois (1100³) plus dense qu'il ne l'est aujourd'hui. La température du fond diffus cosmologique était 1100 fois plus élevé que sa valeur actuelle (2,7 K), soit environ 3000 degrés. Le fait que le fond diffus cosmologique ait mis 13,7 milliards d'années pour parcourir une distance qui était initialement de 40 millions d'années lumière vient du fait qu'à l'époque de son émission, un photon du fond diffus cosmologique voyageait en ligne droite, mais que pendant l'intervalle où il avançait d'un kilomètre, la région dans laquelle nous nous trouvons s'était éloignée de bien plus d'un kilomètre du fait de l'expansion de l'univers, un peu à l'image d'un marcheur qui prendrait un tapis roulant à contre sens et qui marcherait moins vite que le tapis. Ce n'est que quand l'expansion de l'univers ralentit suffisamment que les photons peuvent finalement se rapprocher de leur point de destination. Avant cela, bien qu'ils se dirigent vers celui-ci, ils s'en éloignent constamment.