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- Mise à jour le 19 Janvier 2009
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- AMA09
- Conférence de
Robert WILSON sur
LA DÉCOUVERTE DU CMB
- UNESCO
PARIS 15 JANVIER 2009
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- Photos : JPM et DB. pour l'ambiance (les photos avec
plus de résolution peuvent m'être
demandées directement)
- Les photos des slides sont de la présentation
de l'auteur. Voir les crédits
des autres photos et des animations si nécessaire.
- D'autre part le site de l'AMA09 m'a fait
l'honneur de mettre quelques unes de mes photos en ligne dans
un diaporama.
- Je signale que tous
les discours et toutes les conférences ont été filmées et sont
disponibles en vidéo
sur ce site.
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- REMARQUE : Les comptes rendus des conférences
sont mis en ligne au fur et à mesure
- Vous vous en apercevrez en allant voir la
page du compte rendu général de temps en temps à l'index
"conférences",
je signalerai les mises en ligne dans la fenêtre des mises à jour du site
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- BREF COMPTE RENDU
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- Tout le monde connaît Penzias et Wilson qui
ont découvert le bruit de fond cosmologique dans les années 1960 ce qui
les a conduit à un prix Nobel en 1978.
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- On voit ici leur photo au moment de leur découverte,
R Wilson à gauche et A Penzias à droite.
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- Et bien Robert Wilson était à cette cérémonie
d'ouverture et nous a fait l'honneur de nous parler de cette découverte.
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- Robert W Wilson est en poste
maintenant au Harvard-Smithsonian
Center for Astrophysics situé à Cambridge dans le Massachusetts aux
USA.
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- La présentation de R Wilson est en trois
parties.
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- L'ÉTAT
DE LA COSMOLOGIE AU DÉBUT DU XXème SIÈCLE.
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- Einstein publie en 1915 la Relativité Générale
(RG) qui va être l'outil pour essayer de comprendre la structure de
l'Univers.
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- On se posait toujours la fameuse question du
paradoxe de Olbers : pourquoi la nuit est-elle noire? Alors qu'avec le
nombre énorme d'étoiles réparties dans toutes les directions, elle
devrait briller comme en plein jour.
- Cela semblait indiquer un univers fini, mais
Einstein ne voulait pas tenir compte de ce fait, et à cette occasion il
introduisit sa fameuse "constante
cosmologique" pour rendre l'Univers statique comme on le pensait à
l'époque.
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- Mais vers 1925 Edwin Hubble montre d'abord que
la "nébuleuse" d'Andromède est une galaxie séparée de la nôtre, on croyait en effet à l'époque qu'il n'y avait qu'une seule
galaxie, la nôtre.
- Ensuite vers 1929, il montre que les galaxies
s'éloignent de nous à une vitesse de plus en plus grande
lorsqu'elles sont de plus en plus loin.
- L'Univers
semble être en expansion!!!
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- On introduit à cette occasion la notion de
redshift (décalage vers le rouge) de la lumière des galaxies lointaines,
due à un effet Doppler sur cette lumière qui se déplace par rapport à
nous.
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- Hubble mesure aussi la "constante"
correspondante au déplacement des galaxies lointaines, que l'on va appeler
la constante
de Hubble.
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- Mais les instruments n'étant pas performants
et le nombre de points de mesure faible, les premières valeurs de cette
"constante" sont faibles, en fait elles donneraient un âge de
l'Univers (calculé à partir de l'inverse de cette constante) inférieur à
l'âge de la Terre, donc problème.
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- À cette époque, on (G Gamov) commençait à
imaginer qu'une certaine matière invisible tenait les galaxies ensemble par
gravitation, c'est la notion de matière noire qui commence à apparaître.
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- Voilà où l'on en est en ce milieu de XXème
siècle.
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- LES
BELL LABORATORIES.
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- Le choc du Spoutnik de 1957 passé, la NASA et
les Bell Labs
proposent de lancer un ballon en mylar aluminisé comme réflecteur d'ondes
pour effectuer des communications transatlantiques. C'est le fameux
ballon Echo de 25m de diamètre que l'on peut voir sur cette
photo de la NASA.
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- Les Bell Labs utilisèrent ce ballon comme
premier satellite de communication.
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Le
signal provenant de ce ballon étant faible, il fallait améliorer le
rapport signal sur bruit.
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- À cet effet on allait mettre en œuvre deux
inventions des Bell Labs :
- ·
un MASER à rubis comme amplificateur
- ·
un détecteur en forme de cornet acoustique pour "écouter"
le signal de l'espace, l'antenne de Crawford Hill dans le New Jersey.
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- Les premiers essais avec la voix du Président
Eisenhower eurent lieu avec succès en 1960.
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- Puis on lance le premier vrai satellite de
communication, Telstar en 1962.
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- C'est là que Robert Wilson intervient.
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- Spoutnik a été lancé durant son premier
semestre d'étude au Caltech, il se lance dans la radio astronomie en
participant à la construction d'un interféromètre dans la Owens
Valley.
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- Son professeur de cosmologie est Fred
Hoyle, et Wilson trouve le système de l'Univers statique (steady state
Universe) élégant à cette époque.
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- Ayant terminé son doctorat (PhD en anglais),
il est embauché par les Bell Labs à Crawford Hill dans le New Jersey (côte
Est) en 1963.
- C'est dans ce lieu que les projets Echo et
Telstar avaient été conçus.
- Arno Penzias avait été embauché, lui un an
plus tôt à la fin de sa thèse de radio astronomie.
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- Mais
pourquoi donc les Bell Labs, engagent ils des radioastronomes?
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- La réponse ; les Américains sont toujours très
ouverts et les Bell Labs sont un monument technologique à l'époque, si
bien qu'ils engagent souvent du personnel non conventionnel, dans un sens de
recherche pure.
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- Nos deux amis s'intéressent à l'atmosphère
et l'utilisation de l'antenne de 20 pieds à faible bruit située dans le
New Jersey leur paraît attractive.
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- Ils voulaient l'utiliser pour mener à bien
diverses mesures :
- ·
Mesurer la puissance d'émission du 4GHz de Cassiopée A
- ·
Mesurer le halo d'émission vers 1,42GHz de la galaxie et établir un
niveau zéro de radiation de la galaxie (pour terminer la thèse de R
Wilson!)
- ·
Rechercher l'Hydrogène atomique dans les amas de galaxies (thèse de
A Penzias!)
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- À cet effet, ils construisirent le détecteur
le meilleur possible en fabriquant une source de référence à l'Hélium
liquide à très faible bruit (Penzias) et en améliorant l'électronique
correspondante (Wilson).
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- LA
DÉCOUVERTE DU BRUIT DE FOND COSMOLOGIQUE.
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- Après les premières mesures, grande déception
: l'antenne était "trop chaude", il y avait un rayonnement de
3,5K qui traînait et qui gênait les mesures et surtout qui ne pouvait pas
être expliqué.
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- Ils passèrent plus de 9 mois à essayer d'améliorer
l'antenne (nettoyage, suppression des pigeons, épisode connu de tous etc..)
mais rien n'y faisait, il y avait bien un bruit résiduel qui restait présent
et l'équipement électronique était parfait, cela ne venait pas de là.
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- Et un jour, Arno Penzias appela Bernie Burke,
un radio astronome au MIT, qui le mit en relation avec Bob Dicke à
Princeton, spécialiste radar et expert en radio astronomie et qui
recherchait des reliques du Big Bang comme prévu par la théorie.
- (C'est George
Gamow qui eut le premier l'intuition de ce rayonnement résiduel)
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- C'était exactement ce qu'il cherchait, il
venait d'être doublé par Penzias et Wilson sans le savoir.
- Robert Wilson nous signale qu'à cet instant B
Dicke eut le commentaire suivant : "Boys,
we've been scooped!", ce que l'on pourrait traduire par : les
enfants on a été doublés!
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- Ils publièrent un article sur le sujet, la
presse en pris possession (New York Times) et le monde entier compris que
l'on venait de trouver une signature du Big Bang avec ce rayonnement
isotrope basse température.
- On prenait enfin la cosmologie au sérieux!
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- Les confirmations de cette découverte allaient
suivre à grande vitesse, la théorie de l'Univers statique de Fred Hoyle
allait mourir peu à peu.
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- On perfectionnait de plus en plus la mesure du
CMB.
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- Les résultats étaient de plus en plus acceptés
et confortaient maintenant le nouveau paradigme du Big Bang.
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- Penzias et Wilson eurent le prix Nobel de
Physique en 1978 pour cette découverte.
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- Puis ce furent les satellites
COBE et WMAP qui mesurèrent ce bruit de fond avec de plus en plus de précision
en attendant le lancement de
Planck en Avril 2009.
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- Merci Bob, pour cet intéressant retour en arrière
sur cet épisode qui a marqué la cosmologie.
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- Il a bien voulu poser à mes côtés pour cette
photo inoubliable, et je l'en remercie.
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- POUR ALLER PLUS LOIN.
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- Le
test du Big Bang par la NASA avec COBE
et WMAP. (en anglais)
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- Présentation sur
le ballon Echo en pdf.
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- Ed
Wright sur le CMB. (en anglais)
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- Superbe présentation en power point sur notre
place dans l'Univers. (anglais)
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- Article pdf sur l'Histoire
de la théorie du « Big Bang » par Sylvain Picard de la Société
d’astronomie du Planétarium de Montréal (SAPM) – automne 2008
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- The
expansion of The Universe and The Cosmic Microwave Background
par Michael Way NASA/GISS & NASA/Ames (anglais)
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- Les
archives cosmologie sur ce site.
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- Le
livre en ligne de Jean Pierre Luminet du LUTH (Obs de Paris) sur
l'invention du Big Bang qui revient sur ces notions.
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- EXTRAIT d'un article commentant la présentation
au monde de la découverte du CMB :
- “Walter Sullivan, a Times science writer, had
heard about the detection of the cosmic microwave background from an editor
at the Astrophysical Journal. He called [Arno] Penzias for the details.
Neither Penzias nor Wilson had thought much would come of Sullivan's call.
In his article, Sullivan correctly explained the importance of Penzias and
Wilson's discovery of isotropic radiation at approximately 3º Kelvin with a
wavelength of just over 7 centimeters: the fact that the radiation was
isotropic meant it was the same across the sky. This was precisely what
those astronomers who supported the Big Bang hypothesis had expected.
- “Radiation that was a remnant of the Big
Bang, which had occurred everywhere in the universe at once, should have
been of equal intensity everywhere. Of course, a measurement at only one
frequency could not prove conclusively that the radiation was blackbody
radiation from the Big Bang (a finding that would not occur for twenty-five
years). The discovery by the Bell Labs scientists soon was confirmed by the
Princeton team had to a shorter wavelength. The blackbody nature of the
background radiation was something Big Bang astronomers also expected. As
we've already seen, this kind of radiation occurs whenever particles collide
in a thermal equilibrium of the kind that might occur inside a black box.
The Big Bang should have produced extremely intense particle collisions.
Most cosmologist—not including Fred Hoyle, of course, and the other who
still believe in a steady-state universe—were now believers: a huge amount
of blackbody radiation had been produced during the earliest moments of the
universe and was still present in a sufficient quantity to detect (the test
of its blackbody spectrum being, of course, one of the most important
reasons for flying the COBE).
- “Robert Wilson met George Gamow for the first
and only time in December 1965 at a hotel in New York City during the annual
Texas symposium on Relativistic Astrophysics. By then the discovery of the
background radiation was already well established not only in astrophysical
circles but in the public mind as well. Even the reluctant Wilson had
started becoming a believer. Gamow seemed somewhat upset over the fact that
no credit had been given him for the early theoretical prediction of the
cosmic background temperature, Wilson recalled. ‘If I lose a penny and
someone finds it in the same place where lost it, then I still know it's my
penny even if I can't prove it.’ Gamow told Wilson. Wilson was dumbfounded.
This was a first time he learned that anybody other than Dicke and Peebles
had worked out a theoretical scheme that would account for their famous
accidental discovery with the horned antenna. Whether Gamow at the time
sought scientific credit for himself or his colleagues Alpher and Herman is
not clear. Gamow himself had not published a word about the background
radiation before Alpher and Herman's 1848 paper, contrary to what has been
written in many popular accounts, including one by Peeples and Wilkinson
published by 1983.
- “A 1948 paper in Nature by Gamow, widely
cited as the first theoretical prediction of a 10º – Kelvin background
temperature, was concerned with primordial nucleosynthesis and early galaxy
formation. It made no mention of background radiation. In any event, by
early 1967 Gamow and his colleagues, Alpher and Herman, had become ‘very
perturbed by how our early work continued to be ignored.’ Gamow suggested
to Alpher and Herman that they try to set the historical record straight.
They made the attempt in a lengthy article the three wrote the same year.
Their choice of journals, Proceedings of the National Academy of Sciences,
was unfortunate because it is a publication for all scientists and not for
one specific discipline, which is what really interests any scientist with
his salt. The piece documented Alpher and Herman's theoretical work on the
cosmic background radiation in the 1940's as well as their joint efforts
with Gamow on galaxy and star formation. But almost no astronomers were
physicists read it with. Gamow lived out his life in relative obscurity at
the University of Colorado in Boulder. He died in 1968, still believing he
had not received due credit for his early work on the origin of the universe.
By the mid-1970s Big Bang cosmology was almost universally established in
the minds of astrophysicist and theorists. In the summer of 1978, Penzias
read an article in Omni magazine stating that he would be awarded the Nobel
Prize.”
- — John C. Mather, John Boslough, The
Very First Light, New York: Basic Books, 1996, pp. 62-64.
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- Bon ciel à tous
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- Jean Pierre Martin
- www.planetastronomy.com
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