La maladie infantile de la cosmologie : le Big Bang chaud

par Jean-Claude Pecker - SPS n° 294, janvier 2011

Cet article fait suite à Les conceptions de l’univers, d’Aristote au Big Bang, SPS n° 292, octobre 2010.

Les enthousiastes du Big Bang sont désormais les plus nombreux. Dès 1951, le pape Pie XII, dans un texte très largement diffusé, répété pour l’essentiel en 1952 devant un auditoire d’astronomes (un texte dont l’influence, même dans les milieux scientifiques, est certaine), assimile le Big Bang au fiat lux des Écritures. Les sceptiques sont une minorité. La plupart d’entre eux acceptent l’expansion comme un fait, mais refusent une extrapolation qui leur paraît reposer sur une physique hasardeuse (comme Bondi, Gold, Hoyle). D’autres refusent même l’expansion (comme Zwicky, Findlay-Freundlich ou Max Born, ou Vigier et l’auteur de ces lignes), et certains prédisent quand même un rayonnement de fond de ciel comme le MBR (Microwave Background Radiation). Et d’autres encore, plus philosophes sans doute qu’astronomes ou physiciens, récusent même l’idée de parler de « temps » dans des conditions où sa mesure est impossible, de parler d’Univers alors que nous n’en observons qu’un petit recoin, de supposer l’univers homogène et isotrope contre l’évidence des observations astronomiques… Malgré ces voix du doute, le Big Bang est devenu, à l’aube du XXIe siècle, un dogme intouchable ; fondé sur un dogme plus limité, celui de l’expansion, et sur un dogme plus philosophique, le suivant : on peut parler du temps et de l’espace (euclidiens, ou riemanniens) sans définir les limitations des définitions, comme si ces concepts mathématiques pouvaient décrire parfaitement le monde réel.

Le Big Bang est séduisant ; donc il séduit. Lorsqu’en 1964 Penzias et Wilson, qui ont découvert par hasard le rayonnement de fond de ciel, publient, sur la recommandation de Dicke et de Peebles, leur découverte, l’affaire est classée : le Big Bang triomphe puisque l’on a vérifié1 les prédictions de Gamow et de ses amis, au moins qualitativement. Il ne fut plus dès lors question que d’un CMBR, ou CMR (Cosmological Microwave Radiation). Que ce rayonnement soit d’importance cosmologique apparaissait comme une évidence.

Pourtant la littérature depuis le début du siècle offrait des exemples très divers (Guillaume, Nernst, Regener, Eddington, avant Findlay-Freundlich et Born, déjà cités, tableau II de prévisions de l’existence d’un rayonnement de fond de ciel dans un univers stationnaire, avec des estimations de sa température de quelques degrés K). Nécessairement en effet, le rayonnement d’origine stellaire doit localement se mettre en équilibre avec le milieu, qui prend donc la température de ce rayonnement, et doit donc lui-même rayonner. Mais ces travaux furent publiés dans des revues peu lues, ne bénéficièrent pas du retentissement médiatique des travaux de Gamow ; et personne ne les connaissait.

Les difficultés du modèle du Big-Bang

Depuis 1974, les choses ont, malgré les apparences, assez peu évolué.

Du côté des modèles théoriques, on s’est aperçu de nombreuses difficultés physiques liées aux premiers instants du Big Bang. Nous n’entrerons pas ici dans trop de détails. Qu’il suffise de savoir qu’à chacune de ces difficultés les théoriciens ont trouvé une réponse subtile.

(i) L’isotropie observée du MBR est contradictoire avec l’horizon limité des modèles de type Lemaître-Friedmann du Big Bang. L’introduction de l’« inflation » (période d’expansion très rapide, et hors équilibre thermodynamique) permet de justifier cette isotropie.

(ii) Les interactions entre particules, aux très grandes vitesses relatives qu’impliquent les températures gigantesques supposées exister peu après le Big Bang, posent des problèmes insolubles à la physique classique. Les théories impliquant des « astroparticules » se sont développées, et l’introduction hypothétique de la « Grande unification » des quatre forces fondamentales de la physique (GUT, ou « Grand Unification theory ») permet de mieux construire l’élaboration des particules.

(iii) Le Big Bang de Friedmann-Lemaître-Gamow implique des densités infinies et des températures infinies, caractérisant le point singulier des modèles. L’Univers, avant un certain temps très petit (le « temps de Planck ») est dominé par la physique quantique et les lois de la causalité ordinaire sont rompues. La théorie des « cordes » permet alors de se débarrasser des paradoxes liés à une densité infinie de matière.

(iv) Le besoin de concilier la densité de matière nécessaire aux modèles avec les observations exige l’introduction d’une « matière obscure ».

(v) Et le rythme de l’expansion, qui se déduit des observations de supernovae dans les galaxies les plus lointaines, leur impose l’introduction d’une « énergie noire ».

Autant d’« épicycles », nous dit Narlikar, se référant aux successives améliorations du système de Ptolémée par des constructions géométriques habiles certes, et efficaces, mais impliquant un degré excessif d’arbitraire, dans le but de sauver une description simple voire simpliste : un strict géocentrisme pour les successeurs de Ptolémée, jusqu’à Copernic ; le Big Bang pour les successeurs de Gamow.

À côté de ces belles constructions théoriques, plus physiques, voire mathématiques qu’astrophysiques, l’observation progresse dans diverses directions. Un des progrès les plus remarquables est l’exploration du rayonnement micro-ondes de fond de ciel (MBR) par les satellites COBE et WMAP.

Il faut d’abord corriger l’évident terme dipolaire dû au mouvement de la Terre (donc du Soleil) par rapport à la source de rayonnement. Il faut ensuite éliminer le parasitage des données par les régions de notre Galaxie (la nôtre, avec un G majuscule) qui rayonnent dans ce domaine de longueur d’onde (comme un corps noir de quelques milliers de degrés K, mais fortement « dilué »). Il reste alors un rayonnement assez homogène et isotrope, d’une température de 2 726 °K, affecté de fluctuations inférieures à 0.001 °K. L’analyse harmonique de ces fluctuations permet d’aboutir à des fréquences spatiales dominantes. Les auteurs de ces travaux, comme tous les auteurs des « modèles d’Univers » de type Big Bang, en déduisent des propriétés de la distribution de matière au moment de la séparation entre matière et rayonnement et voient dans ces fluctuations les germes de ce qui plus tard deviendra des amas de galaxies, et des galaxies.

D’autres observations viennent compléter ces données bien acceptées : (i) celle du caractère linéaire de la relation de Hubble, confirmé par tous ses élèves et successeurs, Mayall, Humason, Sandage, Tammann, et (ii) celle de l’abondance des éléments dans les étoiles et les galaxies, principalement des éléments légers hydrogène H, et hélium He.

Les moyens de l’observation ont considérablement progressé en quelques décennies. Des télescopes « géants » de Palomar ou de Zelentchuk (respectivement 5 et 6 mètres de diamètre), on est passé aux télescopes d’Hawaii ou de l’ESO, au Chili (des batteries de télescopes de 8 mètres), et bientôt à des télescopes plus gigantesques encore. Les techniques subtiles d’amélioration de la qualité des images par l’optique active et l’optique adaptative, tout comme l’utilisation des fibres optiques, ont démultiplié les possibilités. Et l’exploitation, dans de vastes domaines de longueur d’onde, des satellites tels que Hipparcos ou HST (Hubble Space Telescope), COBE ou WMAP, et bien d’autres déjà exploités, en exploitation ou en projet, multiple les données sur les étoiles, les galaxies, les quasars…

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Le nombre de galaxies connues a donc augmenté considérablement ; leur distance est mesurée ; le décalage spectral des plus lointaines se mesure par z = 1… 2 … 10 même. Pour en connaître la vitesse d’éloignement, il faut corriger la formule classique de Doppler-Fizeau pour tenir compte de la relativité einsteinienne.

On trouve alors des résultats forts intéressants, et même quelque peu étranges. La distribution des galaxies affiche une structure très irrégulière. Elles forment à grande échelle comme un énorme filet, où des régions vides immenses sont limitées par des parois faites de galaxies, qui se coupent en des lignes, des « supercordes » (rien à voir avec la théorie des « cordes » évoquée ci-dessus) faites de galaxies, qui se coupent elles-mêmes en de considérables amas de galaxies. Il existe véritablement une distribution hiérarchique des structures (pressentie dès le XVIIe siècle !), qui suit une loi de distribution fractale.

Comme de Vaucouleurs l’a montré, il s’agit (au moins entre l’échelle des dimensions D stellaires et celle des dimensions D des superamas de galaxies) d’une loi : r (densité) @ D-1.7.

Un problème non résolu se pose alors : comment intégrer ce fait d’observation dans les équations d’Univers de la Relativité Générale ? Les chercheurs les ont résolues avec des distributions simples de densité. Mais avec une distribution fractale ? On ne sait pas ! Alors on s’en tire d’habitude en supposant (implicitement, bien sûr) qu’à très grande échelle, la distribution de matière doit être uniforme. En réalité, nous n’en savons rien. À très grande échelle, la densité moyenne de l’univers explorable (et non encore exploré) est peut-être encore beaucoup plus petite que celle que nous introduisons aujourd’hui dans les modèles d’Univers.

Autre observation, qui conforterait plutôt le Big Bang : il semble que les galaxies les plus lointaines (z>5) ont une abondance d’hélium plus faible, ce qui indiquerait une plus grande « jeunesse ». Très loin, nous observerions en effet un Univers âgé non pas de 13,6 milliards d’années, comme à peu près notre Galaxie, mais de 10, ou seulement 5 milliards d’années, ou moins encore ; ces galaxies très lointaines seraient donc moins évoluées que les galaxies que nous observons proches de la nôtre.

Le paradoxe des quasars et les décalages anormaux

Autre observation, qui, elle, poserait plutôt de nouveaux problèmes : la découverte des astres bizarres que sont les quasars (QUasi Stellar Astronomical Radio Sources) dont le décalage spectral z vers le rouge est souvent très élevé. De grandes théories décrivent la physique présumée des quasars : autour d’un coeur qui serait un trou noir très dense, un disque d’accrétion très étendu se condense, et s’aplatit équatorialement autour de l’axe de rotation du quasar cependant que de la matière est vigoureusement éjectée dans l’espace par les régions des pôles. Mais cette description, qui semble d’une bonne cohérence interne, n’est peut-être pas la seule. Les données spectrographiques sont rares et laissent place à différentes façons possibles de décrire les quasars. Mais aucun caractère spectrographique n’a encore jusqu’à présent permis la détermination de leur distance, sauf pour ceux dont on distingue les galaxies-hôtes, et ceux pour lesquels on observe des raies d’absorption en provenance de galaxies situées très près de la ligne de visée des quasars. On suppose donc que la valeur du décalage spectral z est une telle mesure, comme c’est le cas pour les galaxies les plus lointaines ; un quasar serait alors à la même distance que les galaxies affectées du même décalage spectral.

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Vue d’artiste du quasar GB1508

Or une découverte importante (capitale même aux yeux de l’auteur de ces lignes) est celle des « redshifts anormaux », due à Halton Arp. Depuis 1972, Arp a publié des dizaines d’exemples d’un phénomène remarquable : la fréquente association physique de deux objets, une galaxie normale de petit décalage spectral, et un quasar de grand décalage spectral. Cette association est démontrée non seulement par leurs positions apparentes proches dans le ciel, mais par des bras de matière les séparant Cette découverte a été complètement occultée par la majorité des cosmologistes. Ne met-elle pas en doute l’interprétation du décalage spectral par un effet Doppler ? Deux objets sont à la même distance de nous, l’expansion devrait donc les entraîner à la même vitesse, et ils devraient être affectés du même décalage spectral – du même « redshift ». La découverte de Arp impliquerait plutôt que les quasars soient éjectés par les galaxies, et que le modèle classique de leur physique (décrit ci-dessus) doit être révisé. Quelle que soit la cause physique du décalage spectral des quasars, ce n’est pas l’effet Doppler-Fizeau !

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Supernova dans la partie externe du disque de la galaxie spirale NGC 4526

La découverte de ces « redshifts anormaux » a été confortée par l’observation, au voisinage du Soleil, de phénomènes divers étudiés par Pecker, Vigier et leurs collaborateurs. Dans le même sens vont la découverte par Tifft puis par Napier et Guthrie de périodicités fines dans la distribution des redshifts de galaxies appartenant à un même amas de galaxies, et celle par Karlsson, puis Depaquit et al, de périodicités plus grandes dans l’ensemble des quasars observés.

Malgré cette accumulation de faits, l’existence des redshifts anormaux n’est toujours pas acceptée par les cosmologistes du Big Bang. Ils affirment que les associations quasars-galaxies sont des effets de perspective ; que l’éclat des quasars lointains voisins en apparence d’une galaxie proche est augmenté par un effet de réfraction gravitationnelle, ce qui entraîne une sélection observationnelle des quasars proches dans le ciel des galaxies. Mais l’existence des ponts de matière vient contredire cette critique ; aussi est-elle ignorée des cosmologistes du Big Bang. Nous devons noter que, n’y eût-il qu’un seul cas bien avéré d’association de deux objets de redshifts très différents, l’explication unique de tous les redshifts par un effet Doppler-Fizeau serait à abandonner. Et il y en a plus d’un !

La rotation des galaxies, les supernovae extra-galactiques

Autre type d’observation sans doute d’intérêt cosmologique. La rotation de nombreuses galaxies est maintenant bien mesurée en fonction de la distance au centre de ces galaxies grâce à l’analyse spectroscopique. Les lois de la mécanique doivent associer cette rotation différentielle à la distribution des masses. Or la distribution de masse observée directement (étoiles, nébulosités gazeuses, …) ne rend pas compte correctement de la rotation observée. Il faut donc imaginer que de la matière non directement observable par les moyens usuels se trouve distribuée de façon ad hoc dans les galaxies (dans notre Galaxie notamment). De quelle matière peut-il s’agir ? Les mesures faites dans les domaines spectraux du visible et de l’infrarouge permettent de déceler des poussières de petites dimensions distribuées dans les galaxies. Mais des poussières plus grosses, n’absorbant que peu dans le visible ou l’infrarouge peuvent exister ; Hoyle et Wickramasinghe ont conçu l’idée de filaments de fer, qui absorberaient surtout les longueurs d’onde dans le domaine des micro-ondes, hypothèse confortée par diverses observations dans ce domaine spectral. Les cosmologistes, pour d’autres raisons, font appel à de la matière « non baryonique » (neutrinos par exemple, ou quoi ?).

Autre domaine d’investigation, les supernovae extragalactiques. Ce sont des étoiles très brillantes, aussi brillantes pendant quelques jours ou quelques semaines que la galaxie qui les contient, et qui éjectent ensuite dans l’espace d’immenses nuages de matière enrichie en métaux, le reste de l’étoile s’effondrant sur lui-même en une étoile hyperdense peu brillante. Les propriétés physiques de ces supernovae, désormais observables, et dont on connaît le spectre, peuvent permettre de compléter la détermination des distances des galaxies les plus lointaines, et montrer alors que l’expansion de l’univers observé serait, actuellement, accélérée.

Le modèle de concordance

Moyennant des constructions un peu arbitraires, les astucieuses façons de conserver le Big Bang, que nous avons citées, tout en inventant des façons ad hoc (les « épicycles » de Narlikar) de répondre aux objections que l’on peut lui faire, se résument dans le « modèle de concordance », considéré aujourd’hui comme modèle standard. Celui-ci combine la densité observée de l’univers, la composition chimique observée de l’univers, le taux d’expansion moyen observé de l’univers et de l’accélération observée de cette expansion, et la température observée du rayonnement de fond de ciel supposé cosmologique. Selon ce modèle, les valeurs « observées » des paramètres (tableau III) sont désormais la base d’un modèle consensuel, conforme aux équations de la Relativité Générale, auxquelles ils apportent des conditions aux limites.

Ce modèle global, complet en quelque sorte, ne tient pourtant aucun compte des décalages spectraux anormaux, ni de la contribution locale au rayonnement de fond de ciel. Il ne résout en rien les questionnements philosophiques liés aux notions contestables plus ou moins explicites impliquées par le modèle : l’âge de l’Univers, l’origine des temps, – le Big Bang en somme. Il s’agit même, c’est encore un problème plus important, de la notion même d’Univers. Car, entre l’univers observé, très limité, l’univers observable, et l’Univers, avec un U majuscule, le « Tout », le fossé conceptuel est considérable. Une très grande partie de ce « Tout » est – par essence pour les uns, comme un fait d’évidence pour d’autres – inconnaissable. Une différence physique essentielle existe aussi : l’univers et l’Univers doivent suivre les lois de la thermodynamique, notamment la seconde loi, qui dit que tout système isolé doit voir son entropie augmenter ; tout système isolé évolue donc de façon tout à fait univoque. Ce n’est pas le cas pour un système non isolé. Or l’Univers est par définition un système isolé ; l’univers observé (ou observable) n’en est pas un ; son entropie peut décroître…

C’est pour toutes ces raisons qu’il convient de se pencher sur les "cosmologies alternatives" qui refusent l’un ou l’autre des deux dogmes fondateurs, voire les deux :
(1) Expansion de l’univers,
(2) Caractère cosmologique du rayonnement de fond de ciel,
et le dogme absolu résultant de ces deux-là, mais allant plus loin encore, celui du
(3) Big Bang, événement créateur de l’Univers.

Les modèles alternatifs

Premiers modèles relativistes

Le modèle d’Einstein (1917) est en quelque sorte un premier « modèle alternatif », avant la lettre : densité constante, pression constante, rayon de courbure de l’Univers constant ; c’est un modèle « stationnaire ».

Ce modèle est le premier d’une famille de modèles d’Univers (de Sitter, Eddington…) construits dans les années 20, et qui dérivent plus ou moins du modèle d’Einstein.

Une remarque d’Eddington en justifie la floraison : selon lui, le modèle d’Einstein serait instable. Une légère variation de la densité entraînerait une évolution (croissance ou décroissance) univoque de l’Univers, et cette remarque invaliderait le modèle stationnaire d’Einstein. Nous devons ici (notre remarque a été toujours occultée) noter que le raisonnement d’Eddington est purement mathématique. Il suppose que la perturbation de la densité affecte partout la densité supposée uniforme ; c’est bien le cas du modèle d’Einstein : uniforme est la densité, uniforme elle reste… Mais physiquement, c’est très différent ; une modification de la densité ne pourrait être que locale ; elle se répercuterait par une modification locale, ailleurs, de la densité. Le modèle, statistiquement parlant, est tout à fait stable ; et l’invocation à l’argumentation d’Eddington tout à fait inopportune.

Mais les observations de Hubble et de ses successeurs changent le point de vue des successeurs d’Einstein. L’expansion est admise comme un fait par la plupart d’entre eux. Mais cela ne veut pas dire que le Big Bang en soit un ingrédient nécessaire. Typiques de ces modèles en expansion, mais sans Big Bang initial, les modèles « stationnaire » (Bondi & Gold, 1948 ; Hoyle, 1948, 1950) et « quasi-stationnaire » (Burbidge, Hoyle, Narlikar, 1990 et sq.).

Modèles stationnaire et quasi-stationnaire en expansion

Le modèle stationnaire admet une expansion continue, mais une densité de matière et d’énergie constante. La matière se crée au fur et à mesure de l’expansion. La physique de la création de matière est difficile. Selon les auteurs des théories stationnaire et quasi-stationnaire, elle résulte de l’introduction d’un champ d’énergie négative, un concept subtil, mais non dénué d’arbitraire

Le modèle quasi-stationnaire est une élaboration du modèle stationnaire, qui permet de répondre aux critiques dont celui-là avait été l’objet. La création de matière a lieu seulement au voisinage des masses les plus denses (trou noir, noyau de galaxies actives ou de quasars) ; le phénomène se traduit par des éjections brutales à partir de ces lieux, ce qui correspond bien aux observations nombreuses de « jets collimatés » (faisceaux de matière très fins) issus de ces noyaux actifs. La densité moyenne de l’Univers n’est pas constante, mais oscille, avec une période de l’ordre de 50 milliards d’années. Ces oscillations se superposent à une lente expansion dont l’échelle de temps est de l’ordre de 1000 milliards d’années. Cet Univers quasi-stationnaire a toujours existé, il existera toujours. Les éléments se forment au sein des étoiles ; et le calcul montre que cette production, cumulée pendant tous les cycles passés aboutit à une composition d’équilibre d’environ 25 % d’hélium, et 75 % d’hydrogène – comme observé. Cette transformation d’hydrogène en hélium a produit une énergie qui se retrouve dans un rayonnement ambiant, de fond de ciel, et le calcul aboutit pour ce rayonnement à une température de l’ordre de 2.7 °K. Ce modèle décrit les observations aussi bien, sinon mieux que les modèles standards de concordance de type « Big Bang », et s’il introduit des processus hypothétiques, il le fait beaucoup moins que ces modèles.

Autres efforts

D’autres modèles non conventionnels ont fleuri, mais ne couvrent pas tout l’ensemble des observations. Le modèle d’Alfvén implique les champs magnétiques ; celui de Segal, la « chronogéométrie », donne une vision géométrique du temps, et distingue le temps des astronomes (le nôtre) et le temps cosmologique. Nottale élimine la difficulté fractale que nous avons mentionnée. Milgrom, avec la dynamique MOND, modifie les lois newtoniennes. Dirac demande à la variation des constantes universelles l’interprétation des phénomènes. Brans et Dicke introduisent des équations d’Univers d’une validité plus large que celles des équations d’Einstein… Bien d’autres encore… Autant d’efforts intéressants, qui contiennent des suggestions sans doute fécondes, mais qui ne présentent pas encore une vision complète, dénuée d’hypothèses inutiles.

Le modèle d’univers en équilibre statistique

En ce qui concerne l’auteur de ces lignes, il préfère une vision à la fois plus simple et plus radicale, celle d’un modèle d’univers en équilibre statistique (et non d’un modèle d’Univers !). Ce modèle, encore plus loin du modèle standard que les modèles stationnaires, n’est pas en expansion. Ce modèle n’implique que fort peu de « nouvelle physique », et exploite au maximum les observations disponibles, y compris celles de phénomènes « anormaux ».

L’expansion ne serait qu’une apparence ; les « redshifts » ne seraient pas dus à l’effet Doppler-Fizeau, mais à une interaction des photons avec les milieux traversés (c’est la « fatigue de la lumière »). Le mécanisme de cette interaction n’est pas encore précisé ; plusieurs suggestions sont faites ; c’est le point faible de cette vision de l’univers. La distribution de masse dans l’univers n’étant ni isotrope ni homogène, le taux de l’expansion apparente H est une moyenne le long de la ligne de visée ; en réalité H varie d’un point à l’autre de l’univers, plus important au voisinage des amas de galaxies qu’entre ces amas.

Le rayonnement de fond de ciel serait d’origine locale. Il serait dû au rayonnement des poussières interstellaires, chauffées elles-mêmes par le rayonnement des étoiles. Ce rayonnement ne serait pas affaibli du fait de la faible épaisseur optique du milieu car celui-ci serait opaque à ces longueurs d’onde (les « microwaves », du mm au cm). Notre calcul (présenté pour la première fois, avec J. Narlikar et Ch. Wickrapasinghe, au Symposium de Bjurakhan, septembre 2008) aboutit à une prévision de T = 2.691 °K, égale à 1 % près de la valeur observée de 2.726 °K. Cet accord inattendu nous conforte dans notre conviction d’être sur la bonne voie.

Les éléments, l’hélium comme les éléments lourds, seraient formés uniquement dans les étoiles ; le proton ayant une durée de vie limitée, un équilibre serait atteint, celui que l’on observe.

L’univers ne serait pas pour autant toujours pareil à lui-même. Des galaxies naissent ici, et meurent là. L’univers est statistiquement en équilibre, mais il est soumis à des fluctuations locales, à des phénomènes éruptifs, à des dislocations ou à des fusions au sein du monde des galaxies.

Je refuse l’idée d’une origine, celle d’un âge de l’Univers, celle d’une adéquation de la théorie de l’univers aux besoins de la physique théorique moderne. Notre univers est simple. Et ce n’est pas l’Univers – dont nous n’avons encore que faire et dont nous ne sommes pas prêts à définir la physique.

Dans le cadre de cette controverse, lire La théorie du Big Bang rend bien compte des décalages observés.

1 Il est juste de dire ici qu’avant Penzias et Wilson – qui reçurent pour ce haut fait le prix Nobel – d’autres chercheurs, soit par les mêmes techniques que celles de Penzias & Wilson, -Leroux en 1956 –, soit par des études spectrographiques indirectes, – McKellar ou Swings –, avaient aussi démontré l’existence d’un fond de ciel de quelques degrés K

Mis en ligne le 9 juin 2011
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