21 Mars 2013

Planck dévoile les tout premiers instants de l'Univers

Les tout premiers instants de l'Univers présentés par les équipes qui travaillent sur Planck.

Big Bang, il y a 13,8 milliards d’années : une phase d’inflation foudroyante vient d’étirer l’univers primordial 1026 fois au moins en une infime fraction de seconde. L’univers est alors constitué de particules de matière (noire et ordinaire), ultra-dense et opaque : le rayonnement produit y est en effet immédiatement absorbé. S’il est remarquablement homogène, il comporte néanmoins de faibles fluctuations de pression et de température, issues des infimes inhomogénéités présentes au moment de l’inflation.


Les 1ers résultats de Planck par CNES

Puis l’expansion se poursuit, à un rythme plus lent, et l’univers se dilue et se refroidit. 380 000 ans après le Big bang, il est suffisamment froid pour que les électrons et les protons se combinent pour créer les premiers atomes. Il devient alors soudain transparent, et le rayonnement peut enfin se propager : le fond diffus cosmologique (CMB en anglais), ou rayonnement fossile, est né.

13,8 milliards d’années plus tard, les inhomogénéités initiales se sont progressivement condensées sous l’effet de la gravitation, et des structures de plus en plus complexes –galaxies et amas de galaxies– sont apparues. Depuis l’une d’elles, la Voie Lactée, nos scientifiques prédisent puis détectent le rayonnement fossile, qui nous parvient de zones de plus en plus éloignées, après un voyage de 13,7 milliards d’années à travers un espace en expansion – ce qui vaut à sa longueur d’onde d’être étirée jusque dans le domaine du millimètre.

L’histoire de l’Univers : après l’inflation, le rayonnement est couplé avec les particules de matière, l’univers est opaque et s’étend progressivement, tandis que la matière tend à se rassembler autour des surdensités de matière noire. A t=380 000 ans, le rayonnement peut se propager librement jusqu’à nous. La structuration de la matière se poursuit jusqu’à notre époque. Crédits : ESA – C. Carreau.

Les satellites COBE puis WMAP, sans oublier le ballon Archeops, cartographient ce rayonnement sur le ciel avec une résolution angulaire (la capacité à discerner des petits détails) et une sensibilité (la capacité à distinguer de très faibles contrastes dans l’intensité reçue) sans cesse améliorées. Ils confirment plusieurs prédictions de la théorie décrivant la petite enfance de l’Univers, avec cependant parfois un degré de confiance limité par les performances instrumentales.

Planck, conçu pour lever les doutes subsistant et calculer les paramètres fondamentaux avec une précision record, vient de montrer qu’il a réussi sa mission. En utilisant seulement les deux premiers relevés du ciel (5 ont été réalisés avec les deux instruments HFI et LFI), les scientifiques sont déjà parvenus à des conclusions spectaculaires :

  • la confirmation de la « platitude » de l’Univers,
  • la révision à la baisse de la constante de Hubble, et donc du rythme d’expansion de l’Univers,
  • une nouvelle évaluation de la composition de l’Univers : 69,4 % d’énergie noire (contre 72,8 % auparavant), 25,8 % de matière noire (contre 23 %) et 4,8 % de matière ordinaire (contre 4,3 %).,
  • une corrélation entre la polarisation et les pics de température du rayonnement, une prédiction théorique qui se voit ainsi vérifiée,
  • deux cartes inédites et précieuses : la carte du potentiel gravitationnel et celle du fond diffus infrarouge. La première est obtenue en mesurant les (très faibles !) déviations subies par les photons du rayonnement fossile au passage à proximité de puits de potentiel (autrement dit, d’objets massifs). La seconde est la somme de la lumière infrarouge de toutes les galaxies, qui se présente sous la forme d’un brouillard inhomogène. Ces cartes révèlent la façon dont la matière noire et la matière ordinaire ont interagi au cours de l’histoire.

Ils ont également mis en évidence un résultat inexpliqué : si l’on s’intéresse à l’amplitude moyenne des fluctuations du CMB à grande échelle (plus de 6° sur le ciel), celle-ci semble plus faible en moyenne que ce que prédit la théorie – pourtant si bien vérifiée par ailleurs…

Pour atteindre ces résultats, les équipes Planck ont réalisé une prouesse en termes de traitement du signal : il s’agissait d’éliminer les plus petits biais instrumentaux du signal mesuré, puis de séparer la contribution du rayonnement fossile de celle des galaxies. En sortie, 9 cartes du rayonnement fossile, correspondant aux 9 bandes de fréquence de Planck (6 pour HFI et 3 pour LFI). Le spectre ainsi reconstitué correspond à une température, celle du CMB : 2,7 K. Les fluctuations du CMB d’un point du ciel à l’autre n’excèdent pas quelques millionièmes de degré !

Le processus de séparation des composantes : à partir de la carte brute, les différentes contributions sont séparées. Les cartes intermédiaires ainsi obtenues sont précieuses par exemple pour l’étude de notre Galaxie. La dernière carte montre la température du rayonnement fossile. Les points orangés sont les plus chauds et les bleus sont les plus froids. Crédits : ESA and the Planck Collaboration.

Et Planck nous donne rendez-vous en 2014 pour aller encore plus loin, lorsque la totalité des relevés effectués aura été analysée.

La France est leader de l’instrument haute fréquence Planck-HFI, essentiel pour les résultats cosmologiques. Il a été développé sous la coordination de l’IAS à Orsay, et le traitement de ses données est piloté par l’IAP. Le CNES a financé environ la moitié de la contribution française et apporté un soutien technique, notamment en mettant au point le système cryogénique qui a refroidi les détecteurs de HFI à 0 ,1 K, un record pour un objet spatial humain. Le CNES soutient également fortement l’effort de traitement des données.

Contacts

  • Responsable de la thématique astronomie, astrophysique au CNES : Olivier La Marle

 

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