Outre les petites fluctuations évoquées ci-dessus (une partie sur 100000), le rayonnement de fond de micro-ondes cosmique observé présente un degré élevé d’isotropie , un fait d’ordre zéro qui présente à la fois satisfaction et difficulté pour une théorie globale. D’une part, il fournit une justification forte de l’hypothèse d’homogénéité et d’isotropie qui est commune à la plupart des modèles cosmologiques. D’un autre côté, cette homogénéité et cette isotropie sont difficiles à expliquer en raison du problème de « l’horizon de lumière ». Dans le contexte du fond cosmologique des micro-ondes, le problème peut être exprimé comme suit. Considérons le rayonnement de fond provenant d’un observateur de tout Il est clair que, quelles que soient les sources ultimes (plasma chaud) de ce rayonnement, les photons, voyageant à la vitesse de la lumière depuis leur émission par le plasma, n’ont eu que le temps d’atteindre la Terre maintenant. un côté du ciel n’aurait pas pu avoir le temps d’avoir « communiqué » avec la matière de l’autre côté (ils sont au-delà de l’horizon lumineux de l’autre), alors comment est-il possible (par rapport à un observateur dans le cadre de repos droit) que ils « savent » avoir la même température avec une précision approchant une partie sur 100 000? Qu’est-ce qui explique le haut degré d’isotropie angulaire du fond cosmique des micro-ondes?

Un mécanisme appelé « inflation » offre une voie intéressante sortir de ce dilemme . L’idée de base est qu’aux hautes énergies, la matière est mieux décrite par des champs que par des moyens classiques. La contribution d’un champ à la densité d’énergie (et donc à la masse volumique) et à la pression de l’état de vide n’a pas besoin d’être nulle dans le passé, même si elle l’est aujourd’hui. Au moment de la superunification (ère Planck, 10−43 secondes) ou de la grande unification (ère GUT, 10−35 secondes), l’état d’énergie la plus basse pour ce champ peut avoir correspondu à un «faux vide», avec une combinaison de masse la densité et la pression négative qui résulte gravitationnellement en une grande force de répulsion. Dans le contexte de la théorie d’Einstein de la relativité générale, le faux vide peut être considéré comme contribuant à une constante cosmologique environ 10 100 fois plus grande qu’elle ne peut l’être aujourd’hui. Le répulsif correspondant force fait gonfler l’univers de façon exponentielle, doublant sa taille environ une fois toutes les 10−43 ou 10−35 secondes. Après au moins 85 doublements, la température, qui a commencé à 1032 ou 1028 K, aurait chuté à des valeurs très basses presque absolues zéro.

L’inflation fournit un mécanisme pour comprendre l’isotropie globale du fond cosmique des micro-ondes car la matière et le rayonnement de tout l’univers observable étaient en bon contact thermique (w dans l’horizon des événements cosmiques) avant l’inflation et a donc acquis les mêmes caractéristiques thermodynamiques. Une inflation rapide a entraîné différentes portions en dehors de leurs horizons d’événements individuels. Lorsque l’inflation a pris fin et que l’univers s’est réchauffé et a repris son expansion normale, ces différentes parties, à travers le passage naturel du temps, ont réapparu à notre horizon. Grâce à l’isotropie observée du fond cosmique des micro-ondes, on en déduit qu’elles ont toujours les mêmes températures.

Compte tenu de la température de rayonnement mesurée de 2,735 K, la densité d’énergie du fond cosmique des micro-ondes peut être environ 1 000 fois plus petite que la densité moyenne d’énergie de repos de la matière ordinaire dans l’univers. Ainsi, l’univers actuel est dominé par la matière. Si l’on remonte dans le temps au redshift z, les densités numériques moyennes de particules et de photons étaient toutes deux plus grandes du même facteur (1 + z) 3 car l’univers était plus compressé par ce facteur, et le rapport de ces deux nombres aurait a maintenu sa valeur actuelle d’environ un noyau d’hydrogène, ou proton, pour 109 photons. La longueur d’onde de chaque photon, cependant, était plus courte du facteur 1 + z dans le passé qu’elle ne l’est maintenant; par conséquent, la densité d’énergie du rayonnement augmente plus rapidement d’un facteur de 1 + z que la densité d’énergie de repos de la matière. Ainsi, la densité d’énergie de rayonnement devient comparable à la densité d’énergie de la matière ordinaire avec un décalage vers le rouge d’environ 1000. À des décalages vers le rouge supérieurs à 10 000, le rayonnement aurait dominé même sur la matière noire de l’univers. Entre ces deux valeurs, à un décalage vers le rouge d’environ 1 090, le rayonnement se serait découplé de la matière lors de la recombinaison de l’hydrogène.Il n’est pas possible d’utiliser des photons pour observer des décalages vers le rouge plus grands que cela, car le plasma cosmique à des températures supérieures à 4 000 K est essentiellement opaque avant la recombinaison. Ces photons d’un décalage vers le rouge de 1090 forment le fond cosmique des micro-ondes.

Frank H. Shu