Le fond diffus cosmologique (FDC, ou CMB pour l'anglais cosmic microwave background, « fond cosmique de micro-ondes ») est un rayonnement électromagnétique très homogène qui remplit tout l'espace dans l'Univers observable (d'où l'adjectif "cosmologique", du grec "cosmos", synonyme d'Univers). Son pic d'émission est situé dans le domaine des micro-ondes. Il est qualifié de diffus parce qu'il ne provient pas d'une ou de plusieurs sources localisées.
Prévu dès 1948 et découvert par hasard en 1964, le fond diffus permet à la communauté scientifique de départager les différents modèles cosmologiques, notamment en abandonnant les modèles fondés sur le principe cosmologique parfait et en donnant la priorité aux modèles basés sur l'idée de Big Bang, qui prédisent l'émission d'un tel rayonnement thermique à l'époque de l'Univers primordial.
Selon le modèle standard de la cosmologie, ce rayonnement a été émis environ 380 000 ans après le Big Bang (ce qui fait qu'on l'appelle aussi rayonnement fossile), alors que l'Univers observable était encore beaucoup plus petit, dense et chaud (de l'ordre de 3 000 K) qu'aujourd'hui. Dilué et refroidi par l'expansion de l'Univers, il possède désormais une température moyenne très basse, de l'ordre de 3 K. Le fond diffus cosmologique est très étudié depuis sa découverte pour deux raisons : il correspond à la plus vieille image électromagnétique qu'il est possible d'obtenir de l'Univers et il présente d'infimes variations de température et d'intensité selon la direction observée, des anisotropies détaillées depuis le début des années 1990 qui permettent de recueillir quantité d'informations sur la structure, l'âge et l'évolution de l'Univers.
« [C'est] la découverte la plus importante du siècle, si ce n'est depuis toujours »
Selon le modèle du Big Bang, dans les premiers millénaires de son existence, l'Univers est notablement plus petit et comprend un plasma de particules (protons, électrons, photons…). Par la suite, il prend de l'expansion tout en refroidissant. Jusque vers 380 000 ans, les conditions sont telles que tous les photons sont continuellement échangés entre les électrons, ces derniers formant une « mer » d'où les photons ne peuvent s'échapper.
L'Univers, poursuivant son expansion, refroidit encore plus, tout en restant très homogène. Cette diminution de température permet la recombinaison : les électrons et les noyaux atomiques se lient, formant des atomes. La « mer » électronique ayant cessé d'exister, les photons peuvent désormais circuler librement dans l'Univers, devenu « transparent ». Quelle que soit l'époque considérée, ils sont donc partout dans l'Univers, à l'exception des corps célestes constitués de la matière « ordinaire » (planètes, astéroïdes, poussières…) qui sont imperméables aux photons. Pour n'importe quel observateur, un sous-ensemble de ces photons forme une sphère centrée sur lui, c'est la surface de dernière diffusion.
À notre époque, ces photons font partie du domaine des micro-ondes du fait de l'expansion de l'Univers qui a étiré leur longueur d'onde. Ensemble, ils constituent le fond diffus cosmologique (ou CMB pour Cosmic microwave background). Les photons présentent des caractéristiques mesurables : énergie et polarisation. Depuis la découverte du CMB dans les années 1960, en raison de limitations technologiques, les scientifiques ont principalement étudié l'énergie des photons du CMB, permettant de vérifier que leur spectre électromagnétique était celui du corps noir à une température témoignant de l'expansion de l'univers.
La communauté scientifique est parvenue à établir, par tâtonnements, études et débats, la nature du CMB et l'histoire de l'Univers grâce à des travaux, commencés au début du XXe siècle, qui se poursuivent aujourd'hui.
Le terme « fond diffus cosmologique » est abrégé en FDC, sigle utilisé en français. Le terme anglais Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR) se traduit par « rayonnement du fond (de) micro-ondes cosmique », alors que Cosmic Microwave Background (CMB) se traduit par « fond (de) micro-ondes cosmique ». La littérature scientifique utilise volontiers le sigle CMB. Le terme « fond diffus cosmologique » a plusieurs synonymes.
En 1896, Charles Édouard Guillaume écrit que la température de la « radiation des étoiles » est de 5,6 K.
En 1926, Arthur Eddington estime la température du rayonnement non thermique des étoiles de la galaxie : « ... par la formule E = σT4, la température effective qui correspond à cette densité est de 3,18° absolu ».
En 1938, l'astronome S. W. Adams découvre des raies d'excitation émises par les molécules CN d'étoiles. À cette époque, aucun chercheur n'est capable d'expliquer leur origine. Toutefois, des scientifiques mesurent leur température d'excitation : 2,3 K.
En 1946, Robert Dicke prédit que la température du « rayonnement de la matière cosmique » est d'environ 20 K, mais ne mentionne aucun rayonnement de fond.
C'est en 1931 que Georges Lemaître énonce sa théorie de l'atome primitif pour décrire l'expansion de l'Univers, affirmant qu'à ses débuts, l'Univers est contenu dans un seul atome « dont le poids atomique est la masse de l'univers entier ». Selon ce modèle, l'Univers, qui est à la fois homogène et isotrope, croît de façon exponentielle à partir d'une masse contenant une immense quantité d'énergie. Albert Einstein rejette ce modèle, car il ne croit qu'à un Univers statique ; son influence est telle que les chercheurs rejettent à leur tour l'hypothèse de Lemaître.
Pourtant, en 1948, s'appuyant sur les travaux de Lemaître, George Gamow, Ralph Alpher et Robert Herman publient des modèles du Big Bang et prédisent pour la première fois l'existence du fond diffus cosmologique.
Dans les articles, les trois scientifiques estiment sa température à 5 K.
D'autres scientifiques ont estimé la température moyenne de l'espace intersidéral, mais leurs calculs étaient entachés d'erreurs. Par exemple, Arthur Eddington a calculé une température effective dont la valeur proche du CMB était une coïncidence : elle correspondait au rayonnement des étoiles de notre galaxie et pas au spectre électromagnétique remplissant l'Univers.
Les prédictions de Gamow, Alpher et Herman sont discutées lors de plusieurs congrès en physique de 1948 à 1955, jusqu'à ce que les deux derniers soient embauchés à l’Applied Physics Laboratory (Laboratoire de physique appliquée) de l'université Johns-Hopkins, ce qui met fin à leurs recherches sur le CMB.