Origine et signification du rayonnement infrarouge diffus inter-galactique

L'histoire cosmique entre l'époque du découplage (décalage spectral $z\approx1500$) et l'apparition des premières sources lumineuses ($z$ de quelques unités) est l'une des inconnues majeures de la cosmologie observationnelle moderne. Les effets combinés du décalage spectral consécutif à l'expansion de l'Univers et de l'absorption par la poussière très dense conduisent à une importante dégradation énergétique des photons optiques et ultra-violets émis par les étoiles massives, les désintégrations de particules et d'autres phénomènes astrophysiques plus exotiques. Cet effet tend à "amener" l'essentiel des photons émis jusqu'au domaine infrarouge du spectre électromagnétique.

Une information fondamentale sur la quantité totale d'énergie associée aux processus physiques ayant lieu à grand décalage spectral ($z$ supérieur à l'unité) est de cette façon contenue dans le fond infrarouge cosmique (CIB) [197]. Révélant les conditions physiques de l'époque "post-recombinatoire", il se place entre le fond de rayonnement cosmologique à 2.7 K, qui révèle la dernière surface de diffusion électromagnétique et les photons optiques liés à l'Univers contemporain. Des mesures fiables de sa densité permettraient de donner accès à l'ère de formation des galaxies [198], à leur évolution chimique et photométrique, à l'évolution de la poussière interstellaire ainsi qu'à la métallicité moyenne de l'Univers. Une interprétation en terme de types de matière noire, partiellement sujette à caution, est également envisageable (cf Contraintes cosmologiques 3.3).

Hélas, il est extrêmement difficile de mettre en évidence directement ce fond diffus de radiation [199] suite à une contamination importante par le bruit de fond non-cosmologique [200] [201]. Ce dernier est d'abord constitué par la lumière zodiacale [202] diffusée par la poussière dans le système solaire. C'est une source considérable dans le domaine du proche infrarouge. Des études très détaillées ont été entreprises pour tenter d'en modéliser la densité et la distribution [203] [204] [205]. La présence de poussières cométaires peut également être prise en compte [206]. La deuxième composante du bruit provient de l'émission galactique due aux étoiles et aux sources compactes. Dans les bandes J,K et L (respectivement 1.25, 2.20 et 3.50 $\mu$m), elle domine largement le spectre. La dernière contribution substantielle vient de l'émission, de l'absorption et de la diffusion de la lumière par la poussière interstellaire dans le milieu galactique (les "cirrus infrarouge" [207]). Selon les observations d'IRAS [208], l'essentiel de l'infrarouge lointain à grande latitude galactique est la conséquence des "cirrus infrarouge" corrélés avec de grandes densités-colonne d'hydrogène [209].

Pour pallier ces difficultés expérimentales, une méthode fondée sur l'utilisation des spectres d'émission gamma de sources à des distances cosmologiques peut être envisagée.