Italie - États-Unis

Paolo de Bernardis et Andrew Lange

Prix Balzan 2006 pour l'astronomie et l'astrophysique observationnelles

Pour leur contribution à la cosmologie, en particulier grâce aux résultats de l’expérience BOOMERanG à bord d’un ballon stratosphérique lancé depuis l’Antarctique

Les galaxies de l’univers s’éloignent de nous à une vitesse qui augmente avec leur distance. Cela montre que dans le passé l’univers était beaucoup plus petit et plus dense, ce qui est à l’origine de la théorie du Big Bang. Cette théorie a reçu une confirmation décisive en 1964, lorsque A. Penzias et R. Wilson ont découvert que l’univers baigne dans un rayonnement particulièrement uniforme de quelques millimètres de longueur d’onde que l’on appelle le “Cosmic Microwave Background” (CMB) ou “fond de rayonnement cosmologique”. L’explication la plus naturelle de ce rayonnement est qu’il s’agit d’un vestige de l’un des tout premiers stades, très chaud, de l’histoire de l’univers.

Lorsque nous observons le ciel profond à de très grandes distances, nous observons aussi le passé de l’univers, car il a fallu beaucoup de temps pour que la lumière parvienne jusqu’à nous depuis ces sources lumineuses extrêmement lointaines. Lorsque l’univers n’était âgé que de quelques centaines de milliers d’années et qu’il était encore très chaud, tous les atomes étaient ionisés et l’univers était empli d’un brouillard d’électrons libres opaque aux radiations, ce qui nous empêche de voir l’état du tout début de l’univers. 380 000 années après le Big Bang, l’expansion a refroidi suffisamment l’univers pour que les noyaux atomiques et les électrons se combinent pour former des atomes; le brouillard opaque d’électrons libres a cessé d’exister et le rayonnement, à l’époque encore chaud, a pu alors circuler librement dans l’univers. A cause de l’expansion de l’univers, la longueur d’onde du rayonnement s’est étendue et le rayonnement s’est dilaté: de lumière aveuglante et visible il s’est transformé en un faible rayonnement d’ondes millimétriques. Ce rayonnement est extrêmement uniforme: quelle que soit la région du ciel dont il provient, son intensité ne fluctue que de 1 / 100 000. Ce sont toutefois ces fluctuations qui engendrèrent ce qui devint ensuite des amas de galaxies, des galaxies, des étoiles, des planètes. Une des avancées scientifiques les plus spectaculaires de ces dernières décennies a été d’utiliser la mesure de ces fluctuations du fond de rayonnement cosmologique pour vérifier de manière précise la façon dont nous comprenons l’évolution, la géométrie et la formation de l’univers. 

Le télescope BOOMERanG à ondes millimétriques utilisé par l’équipe de Lange et de de Bernardis a été lancé le 29 décembre 1998, depuis la base antarctique de McMurdo, à bord d’un ballon stratosphérique qui l’a emporté à 38 km d’altitude, là où la basse température et la faible humidité de l’atmosphère favorisent ce type de mesures. Les mesures ont été réalisées en continu pendant 11 jours. Une deuxième mission, lancée en 2003, a embarqué une version du télescope sensible à la polarisation. L’expérience BOOMERanGa permis d’avoir pour la première fois une image détaillée des faibles fluctuations du fond de rayonnement cosmologique, révélant les dimensions caractéristiques des zones chaudes et des zones froides. La distribution de ces dimensions en dit long sur la nature de l’univers.

L’analyse des images de BOOMERanG a résolu de façon définitive l’un des problèmes les plus épineux de la cosmologie, celui de la géométrie de l’espace, montrant que la courbure de l’espace est extrêmement faible et que sa géométrie est pratiquement euclidienne. Il s’agit d’un élément important pour la théorie de l’“inflation”, selon laquelle une très petite fraction de seconde après le Big Bang, l’univers a connu une brève période d’hyperexpansion à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Grâce aux données de BOOMERanG, on a pu établir que l’univers est âgé d’environ 13,5 milliards d’années et que seulement 4% de la masse-énergie présente est de la matière telle que nous la connaissons; le reste consiste en matière de type inconnu et en énergie dite “énergie sombre” dont nous ne savons pour l’instant que très peu de chose.