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Les missions COBE, WMAP et Planck

Le satellite Planck. Document ESA.

La mission Planck (II)

Après le succès des missions COBE et WMAP et l'espoir d'une meilleure compréhension des phénomènes cosmologiques primordiaux, en 2006 l'ESA décida d'envoyer un nouveau satellite en orbite étudier le rayonnement cosmologique micro-onde ou CMB.

Baptisé Planck, ses concepteurs comprirent que la bande de fréquence idéale, la moins perturbée par les signaux parasites se situait entre 100 et 200 GHz. Les ingénieurs devaient combiner deux méthodes de détection et deux technologies très différentes : un radiomètre sensible aux ondes radios et un bolomètre sensible à la chaleur. Le projet fut si complexe qu'il nécessita la collaboration de 500 chercheurs internationaux répartis dans deux équipes, l'une dirigée par le radioastronome italien Nazzareno Mandolesi de l'Institut d'Astrophysique Spatiale et de Physique Cosmique de Bologne (I), l'autre par le cosmologiste français Jean-Loup Puget de l'Institut d'Astrophysique Spatiale d'Orsay (F).

L'équipe italienne s'est occupée des détecteurs basse fréquence ou LFI analysant le bruit de fond radio, y compris les émissions synchrotrons des pulsars et des supernovae. Le système LFI comprend 22 récepteurs accordés sur un ensemble de fréquences comprises entre 27 et 77 GHz (des longueurs d'ondes comprises entre 11.1 et 3.9 mm). Ces récepteurs radios sont placés au foyer du télescope et couvertissent à température ambiante les signaux micro-ondes du du fond du ciel en intensité d'émission propre à chaque fréquence.

L'équipe française s'est occupée des détecteurs haute fréquence ou HFI, les seuls capables de traverser les nuages de poussière interstellaire. Le système comprend 52 détecteurs bolométriques multi-fréquences mesurant le rayonnement diffus émanant de toutes les directions du ciel dans une bande de fréquences comprises entre 84 GHz et 1 THz (des longueurs d'ondes comprises entre 3.6 et 0.3 mm). Ces détecteurs sont tellement sensibles qu'ils peuvent mesurer des variations de température du ciel d'un millionième de degré (selon l'ESA, cela équivaut à détecter depuis la Terre la chaleur émise par un lapin posé sur la Lune). Pour y parvenir, les détecteurs bolométriques sont refroidis jusqu'à 1/100e de degré au-dessus du zéro absolu soit -273.16°C. Et tous ces instruments doivent également être placés au foyer du télescope.

A voir : Planck en bref

A écouter : Le son du Big Bang, John G.Cramer

A gauche, le satellite Planck. Au centre, les données complètes de la mission Planck publiées en février 2015 fournissent une carte précise de la polarisation (au-dessus) et de la température (en-dessous) du rayonnement diffus cosmologique à 2.7 K à travers tout le ciel. A droite, les contraintes sur certains paramètres cosmologiques, notamment sur la densité de matière totale Ωm (matière baryonique et matière sombre) et la densité d’énergie sombre calculés à partir des observations des supernovae de type Ia (SNE IA) et à haut redshift (SN Hi-Z), du rayonnement cosmologique à 2.7 K (CMB) et des ondes acoustiques des baryons (BAO). On comprend mieux pourquoi le scénario du Big Bang avec sa composante ΛCDM est appelé un "modèle de concordance". Selon ces données, l'Univers serait ouvert et donc en expansion infinie. Documents ESA/T.Lombry, Planck - Collaboration ESA et Planck - Collaboration ESA/LBL adapté par l'auteur.

Plutôt que de faciliter les choses comme les experts l'imaginaient au départ, la combinaison des deux instruments au foyer du télescope posa énormément de difficultés, augmenta le prix du projet et généra de nombreux retards.

Finalement, le satellite Planck fut lancé en 2009 en même temps que le télescope infrarouge Herschel. Pendant quatre ans, Planck cartographia le ciel à neuf fréquences thermiques et sept de polarisation comprises entre 30 et 857 GHz avec une résolution angulaire variant entre 5° et 5' selon la fréquence, soit 30 fois plus précise que celle de WMAP et 1000 fois plus précise que celles de COBE. Ses résultats permirent de vérifier les différentes versions de la théorie inflationnaire ainsi que les modèles d'univers et surtout de confirmer la théorie du Big Bang inflationnaire. Planck cessa de fonctionner fin 2013.

Les résultats de Planck

En décembre 2014, au cours de la Conférence Planck qui s'est tenue à Ferrara en Italie, l'équipe scientifique de la mission Planck de l'ESA présenta ses résultats complets, révélant un vue remarquablement détaillée de l'Univers observable et de notre Galaxie.

Ces résultats soutiennent ceux publiés en 2013 à quelques virgules près dans les paramètres cosmologiques. Ils renforcent sinon confirment que l'univers primordial peut se définir au moyen de six paramètres, quelle que soit la manière dont les scientifiques manipulent les données.

Ces six paramètres sont :

1. la densité de matière baryonique (constituant la matière ordinaire) créée au cours des premières minutes de l'Univers

2. la densité de matière sombre à la même époque

3. la distance de propagation des ondes soniques à l'époque où le rayonnement cosmologique s'est libéré (l'horizon du son) ou la taille angulaire des oscillations baryoniques acoustiques (BAO)

4. le pourcentage de photons du rayonnement cosmologique ayant dispersé les particules libérées par le rayonnement stellaire ou celui des quasars et ionisé l'hydrogène neutre remplissant le cosmos

5. l'amplitude des fluctuations de densité en fonction de l'échelle angulaire à la fin de la période inflationnaire et comment elles ont évolué en fonction de la taille de l'Univers

6. La pente du 5e paramètre à travers le spectre.

A partir de ces paramètres, les scientifiques ont pu calculer toutes les autres propriétés de l'univers comme son âge ou son taux d'expansion. Mais comme rien n'est jamais simple et isolé en sciences, les valeurs exactes dépendent de sous-ensembles de données qui apportent une tolérance ou une certaine marge d'erreur aux résultats dont les plus importants sont les suivants :

- L'âge de l'Univers observable : 13.799 ±0.021 milliards d'années

- La constante de Hubble : Ho = 67.74 ±0.46 km/s/Mpc (plus faible que les mesures ultérieures)

- La densité de l'Univers : Ωo = 0.9995 ±0.0034

- La densité de la matière ordinaire (baryonique) : Ωb = 9.24 x 10-27 ykg/m3

- La densité baryonique (de matière) : Ωb = 0.4189 ±0.0026 ou 0.419 yg/m3

- Le rapport de densité CDM/baryon : 5.33 ±0.06

- La densité de la matière sombre et froide : Ωc = 2.232 ±0.019 ou 2.23 yg/m3

- La densité de l'énergie sombre : Ωe = 0.6911 ±0.0062 ou 3349 ±67 eV/cc

- Le rayon de courbure de l'Univers : -0.0029 < K < +0.008 avec 95 % de confiance.

Il va de soi que ces valeurs peuvent évoluer avec d'éventuelles nouvelles mesures.

Les conséquences de la constante de Hubble

Le paramètre de Hubble fut découvert par Edwin Hubble en 1929 lorsqu'il découvrit que les galaxies se situaient bien au delà des distances ordinaires et semblaient nous fuir d'autant plus rapidement qu'elles étaient éloignées.

L’intervalle de temps 1/H est une valeur indépendant de la distance qui permet de déterminer l’âge de l’Univers. Avec H=100, dans le modèle cosmologique le plus simple (Einstein-de Sitter ou FRW) dans lequel l'univers est plat, l’Univers n’aurait pas 10 milliards d’années. Pour H=100 et un paramètre de densité précis, l'Univers peut avoir 20 milliards d'années; il peut donc passé du simple au double en fonction d'un seul paramètre.

Le paramètre de Hubble a été estimé à 69.32 ±0.80 km/s/Mpc selon WMAP et à 73.8 ±2.4 km/s/Mpc selon le Télescope Spatial Hubble.Certains modèles prédisent toutefois une valeur de 63 km/s/Mpc, soit 14 % inférieure. 

Une faible valeur de Ho signifie que le taux d'expansion de l'Univers est plus faible que prévu et donc que l'Univers est plus jeune que 13.8 milliards d'années et que quelque chose l'empêche de s'étendre. Dans ce cas, il peut s'agir de matière (mais c'est peu probable car on la voit et on peut la détecter) ou d'autre chose de plus exotique et invisible dans la plupart des instruments et dans la plus grande partie du spectre. Cette autre "matière manquante" peut se cacher sous forme d'innombrables corps sombres, d'antiparticules ou de particules intergissant peu avec la matère ordinaire. D'où l'importance que représente cette énergie sombre d'origine inconnue qui remplirait plus de 69 % de l'Univers.

Or, en 2016 l'astrophysicien Adam Riess du STScI et ses collègues ont obtenu une nouvelle estimation de Ho = 73.23 ±1.51 km/s/Mpc soit supérieure à celle prédite par le modèle ΛCDM (66.93 ±0.62 km/s/Mpc). Cette valeur plus élevée implique que l'univers s'étend à un taux 5 à 9 % plus élevé que le prévoit le modèle ΛCDM; il subit donc une expansion accélérée. On y reviendra.

Le modèle du Big Bang inflationnaire confirmé

Voici quelques détails des analyses qui ont permis de confirmer le modèle du Big Bang inflationnaire ainsi que les propriétés de l'Univers.

L'univers visible contient seulement 4.9 % de baryons (protons, leptons, hypérions) contre 26.8 % de matière sombre et 68.3 % d'énergie sombre.

Cette carte montre l’asymétrie entre les températures moyennes des deux hémisphères du ciel et la tache froide dans l'hémisphère Sud. Cette tache froide représente une zone qui des milliards d'années plus tard apparaît comme un "trou" exempt de galaxies par opposition aux zones chaudes contenant des amas et superamas. Document Planck - Collaboration ESA.

En tenant compte de ces valeurs dans les équations cosmologiques, sachant que l'univers a vu son rayon multiplier par trois depuis l'époque de la Recombinaison, le rayon de l'univers observable (qui varie en fonction du taux d'expansion de l'Univers) mesure aujourd'hui environ 46.5 milliards d'années-lumière (cf. cette explication) tandis que dans le modèle inflationnaire son rayon réel aurait augmenté d'un facteur 101012. L'Univers réel pourrait même être infini et l'avoir été dès le départ. Nous sommes bien d'accord, c'est inimaginable. On y reviendra à propos du modèle inflationnaire et de la détente exponentielle du faux vide.

Sur base des mêmes proportions de matière et d'énergie, cela correspond à environ 5.4 nucléons par mètre cube d'espace. En tenant compte de ces valeurs, ce volume d'univers visible "pèse" environ 2.8x1054 kg et vingt fois moins (1.25x1053 kg) si on ne considère que la contribution des baryons. A partir de ces derniers, on estime que l'univers contient quelque 1080 nucléons, ce qui représente environ 1023 masses solaires (ce qui représente cent mille milliards de milliards de Soleil).

Si on convertit la quantité de matière sombre en équivalent énergie, bien que la densité de l'énergie sombre (6.9 yoctogramme/mètre cube soit 6.9x10-27 yg/m3) soit plus de 1300 fois plus faible que celle de la matière ordinaire (9.24 yoctokilogrammes/mètre cube soit 9.24x10-27 ykg/m3), elle domine à grande échelle du fait de son uniformité à travers tout l'univers.

A propos des limites du 1er paramètre concernant la densité de matière, Planck confirme que la densité de l'Univers est Ω=0.9995 ±0.0034, ce qui est compatible avec un Univers plat (modèle FRW), euclidien. Le rayon de courbure de l'Univers (K~0) est également compatible avec un univers plat. Il n'est donc ni sphérique (rayon de courbure > 0, densité > 1) ni hyperbolique (rayon de courbure < 0, densité < 1), encore moins stationnaire ou périodique comme l'imaginent certains. Autrement dit, dans notre Univers, la surface d'un cercle (le disque) vaut πr2, son volume valant 4/3πr3 et deux lignes parallèles ne se rejoignent jamais à l'infini (personne n'ira voir, mais on peut faire confiance aux maths).

On en déduit également qu'il n'y a pas d'autres familles de neutrinos. Il n'existe que trois saveurs (3.3 ±0.28 contre 3.046 selon les prédictions) et que leur masse globale est inférieure à 0.23 eV.

La densité de la matière baryonique est connue avec une précision de 1.1 %, celle de la matière sombre et froide avec une précision de 1.4 % et celle de l'énergie sombre avec une précision de 3.7 %.

A gauche et au centre, gros-plan sur la carte du rayonnement cosmologique à 2.7 K cartographié par Planck. Les couleurs sont tracées en fonction de la température et témoignent de la distribution de la matière. Les textures matérialisent les lignes de champ créées en fonction de l'orientation de la polarisation; elles témoignent des déplacements de la matière. Le signal polarisé est largement dominé par les ondes de densité (les modes scalaires ou modes E). La carte de gauche présente une résolution de 5°, celle de droite de 20'. Les données mesurées par Planck indiquent des fluctuations aussi faibles que 2 microKelvin (2 millionième de degré). A droite, carte mixte de la poussière (en couleurs) et du champ magnétique galactique (lignes en relief) mesurés par Planck à 353 GHz. Le champ d'observation de BICEP2 est indiqué en pointillés blancs et se situe dans l'hémisphère sud. Ce champ contient peu de poussières (dans les bleus ciels et pas bleu foncé). Le signal polarisé permet clairement de tracer les lignes du champ magnétique galactique et ne peut être ignoré ni confondu avec une émission locale. Documents Planck - Collaboration ESA.

Les mesures de Planck confirment aussi l'anisotropie du pôle Sud dans la carte du rayonnement cosmologique (en terme de forme, pas de température ni de dimension) et la différence entre les deux hémisphères, statistiquement parlant. 

Les mesures confirment aussi l'idée que les petites fluctuations quantiques furent légèrement plus intenses à grandes échelles qu'à petites échelles. WMAP avait relevé cette différence, mais Planck a confirmé sa valeur avec précision, renforçant les prédictions et la validité du modèle inflationnaire qui précisent ces valeurs.

Les oscillations primordiales de l'Univers

En introduisant la théorie du Big Bang, nous avons expliqué que l'Univers n'était pas circonscrit dans une enceinte et n'avait donc pas explosé au sens propre. Cette représentation est toutefois commode car la cosmologie étudie également les ondes gravitationnelles générées par le champ d'énergie issu du Big Bang.

Dans son livre "L'Univers chiffonné" (éd.2005, p359), l'astrophysicien Jean-Pierre Luminet du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) explique qu'on peut  comparer la carte du rayonnement cosmologique à la surface d'un tambour sepoudrée de grains. Cette analogie permet de mieux comprendre la nature et la forme de l'Univers en modélisant le rayonnement cosmologique par un spectre harmonique, c'est-à-dire un ensemble de fréquences qui sont des multiples d'une fréquence fondamentale comme l'est un spectre sonore. Ce concept mérite quelques explications car il intervient souvent en cosmologie primordiale.

Amplitude des variations de température en fonction de l'échelle angulaire. Ces valeurs dépendent de l'âge de l'Univers, de sa taille, de sa composition et d'autres paramètres cosmologiques. La ligne rouge représente les prédictions du modèle cosmologique Standard complété par l'inflation, les points rouges les données de Planck. Pour les petites échelles angulaires, la correspondance avec les prédictions est stupédiante. Document Planck - Collaboration ESA.

Si on prend l'analogie d'un tambour, sous l'effet de vibrations, les grains placés sur la membrane tendue et représentant les germes de la matière de notre Univers adoptent certains motifs en fonction de la fréquence de l'onde et de la taille des grains. Ces paramètres permettent de calculer la dimension et la forme de la membrane, sa nature et son élasticité.

Notons que amateurs de physique ou de mathématiques que les équations de ces vibrations qu'on appelle un oscillateur harmonique sont similaires à celles qui expliquent les vibrations du Soleil, des étoiles ou à la surface de l'eau. Il s'agit de simples équations différentielles du second ordre à coefficients constants.

Le même phénomène oscillatoire est apparu dans l'Univers primordial jusqu'à l'époque de la recombinaison où matière et rayonnement se sont découplés. Auparavant, alors que la gravité attirait les baryons et condensait la matière, les photons s'y opposaient en excerçant une pression de radiation. De ce fait, le plasma ionisé et les photons se mirent à vibrer, générant des oscillations acoustiques de baryons (BAO) selon des modes de vibration dépendant des propriétés de l'Univers à cette époque.

En mesurant les fluctations du rayonnement à 2.7 K en différents points du ciel séparés d'un certain angle Θ par rapport au nombre de dipôle (l=200/Θ), sur base des modes vibratoires des 6 paramètres cosmologiques, on découvre que l'univers vibre comme la surface d'un tambour sphérique.

Après analyse de la carte de polarisation du fond diffus cosmologique, on constate qu'il existe deux modes de polarisation, deux classes dénommées les modes E et B. La plupart des phénomènes qui se sont produits dans l'Univers primordial et notamment les fluctuations de matière au moment de la dernière diffusion des photons sont à l'origine du mode E. Le mode B est quant à lui généré par les déformations de l'espace engendrée par les ondes gravitationnelles primordiales, celles d'origine cosmologique (qui transforment également une partie des modes E en B).

En reportant ces observations dans un diagramme du spectre de puissance angulaire du rayonnement cosmologique tel celui présenté ci-dessus à droite, on constate que les fluctuations de températures en fonction de l'échelle de la résolution angulaire présentent un maximum pour des structures d'environ 1° (l~200) les prémices des amas et superamas de galaxies. L'amplitude et la position des oscillations et de chaque pic observé dépendent de l'âge de l'Univers, de sa taille, de sa composition, de sa densité, etc., mais au total 6 paramètres cosmologiques suffisent à expliquer ce profil particulier.

La polarisation : des gravitons ou de la poussière ?

Afin de valider le modèle de Big Bang inflationnaire et l'existence de cette polarisation des modes B, l'équipe de Planck en collaboration avec l'équipe BICEP2/Keck Array ont analysé l'effet présumé des ondes gravitationnelles d'origine cosmologique, c'est-à-dire celles émises juste après l'inflation vers 10-36 sec après le Big Bang. S'étant découplée avant les autres intreractions, juste avant l'époque de la Théorie de Grande Unification ou GUT, ces ondes constituées de gravitons ne produisent pas beaucoup d'effets. Leur passage se manifeste principalement par une infime déformation de la structure de l'espace-temps et cette fameuse polarisation du fond diffus à 2.7 K.

Pour confirmer cette prédiction, les scientifiques ont essayé de détecter des gravitons depuis le sol (expériences LIGO, Virgo, GEO600, etc.) mais à ce jour les résultats ne sont pas concluants. On suppose qu'une mission spatiale avec des instruments plus sensibles (cf. eLISA) donnera de meilleurs résultats. On reviendra sur les ondes gravitationnelles.

L'alternative consista à construire un radiotélescope spécialement conçu pour étudier la polarisation du rayonnement cosmologique.

Les données furent enregistrées par deux expériences :

- BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), un appareil équipé de 250 polariseurs placés sur deux lignes perpendiculaires qui chacun ont mesuré les effets de la polarisation du rayonnement à 2.7 K.

- Le South Pole Telescope (SPT), un radiotélescope de 10 m de diamètre travaillant dans les ondes millimétriques et submillimétriques.

Comme prévu,  dès 2012 l'équipe du PST découvrit les modes B de la polarisation du rayonnement cosmologique micro-onde et en 2015 l'équipe BICEP2/Keck Array confirma la découverte de cette polarisation.

Mais comme l'ont expliqué des astronomes début 2016 dans le magazine Nature, des contre-analyses ont montré que la polarisation en mode B ne provient pas des ondes gravitationnelles comme cela fut publié mais de la poussière interstellaire omniprésente dans la Voie Lactée, ce que certains chercheurs avait déjà suggéré en 2014.

L'effet espéré des ondes gravitationnelles issues du Big Bang n'était donc pas au rendez-vous et les conclusions qu'on en tira à propos de la limite supérieure pour le rapport des ondes gravitationnelles en fonction des fluctuations de densité est donc erroné (valeur de 0.08 contre 0.12 et 0.11 auparavant). Les valeurs plus élevées sont donc toujours d'actualité et favorables à un modèle inflationnaire plus complexe.

A gauche, le South Pole Telescope (gauche) et BICEP2 (droite) installés en Antarctique, à la base Amudsen-Scott. A droite, la prétendue découverte de la contribution des ondes gravitationnelles (en vert) à la polarisation du rayonnement à 2.7 fut infirmée en 2016. La polarisation en mode B qui fut détectée provient en réalité de la poussière omniprésente dans la Voie Lactée comme l'explique cet article publié dans "Nature". Documents Keith Vanderlinde/NSF et Planck - Collaboration ESA.

Cela étant, on peut encore imaginer un modèle d'inflation engendré par la décroissance d'un seul champ d'énergie, un champ scalaire (par ex. les mécanismes de Higgs) qui diminua "lentement" comparé au taux d'expansion de l'Univers (durant l'inflation l'univers s'est dilaté d'un facteur d'au moins 1050 en moins de 10-32 seconde !).

Les résultats des analyses indiquent également que l'inflation a commencé plus tôt que certains modèles le prédisent, au plus tard vers 10-36 seconde après le Big Bang. En corollaire, la durée de cette phase d'inflation indique que le niveau d'énergie requis pour l'inflation était inférieur à 2x1016 GeV, équivalent au niveau nécessaire pour unifier les interactions forte, faible et électromagnétique dans la GUT.

Voilà des confirmations qui ravivent autant les cosmologistes que les physiciens adeptes du modèle du Big Bang inflationnaire.

Toutefois, l'expérience BICEP2 n'était pas suffisamment précise et a surtout mis en évidence l'importance du signal de polarisation généré par la poussière interstellaire et la matière sombre du halo galactique.

La bonne nouvelle est qu'à présent nous connaissons l'intensité et le profil des sources de contamination et savons qu'elle doit être la sensibilité de l'instrument si nous voulons observer la polarisation due aux gravitons et celle due à l'inflation. Aussi, la prochaine expérience de ce genre devra discriminer un signal 10 fois plus faible, de l'ordre du nanoKelvin. Un autre défi attend les ingénieurs.

Les fluctuations de densité

Concernant l'évolution de l'amplitude des fluctuations de densité (le 5e paramètre du modèle ΛCDM), également appelé indice spectral scalaire, il est relativement important car il décrit l'état de l'Univers à la fin de l'inflation.

Planck a mesuré une valeur de 0.968 ce qui veut dire que l'amplitude des fluctuations est légèrement plus grande à grandes échelles que ce que prédisent la plupart des modèles inflationnaires. Cette différence produit un léger effet sur le taux de formation des galaxies au cours du temps. On reviendra sur ces fluctuations de densité dans l'article consacré à la théorie du Big Bang et celui consacré à la stucture de l'Univers.

Reste la question étrange des petits amas de galaxies qui manquent à notre inventaire cosmique. L'équipe de Planck a bien trouvé certaines petites bosses ou irrégularités dans le rayonnement cosmologique qu'on peut associer à des fluctuations de la distribution de la matière dans l'univers primordial. Mais Planck prédit 2.5 fois plus d'amas que ce que les astronomes observent. Il peut s'agir d'erreurs dans les estimations comme il peut tout aussi bien s'agir des effets d'une nouvelle physique. La question reste ouverte, une de plus parmi les dizaines d'autres de la cosmologie.

Début de l'ère stellaire

L'ère stellaire qui suivit la Recombinaison, durant laquelle nous assistâmes à la formation des protoétoiles, des protogalaxies et des quasars a été réévaluée. Le satellite WMAP indiquait que cette période correspondait à un décalage Doppler z=10, ce qui correspond à 470 millions d'années après le Big Bang, mais Planck a retardé le début de cette ère à z=8.8 soit 560 millions d'années après le Big Bang, il y a 13.2 milliards d'années.

De même, le niveau d'annihilation de matière qu'on observe dans le coeur de la Voie Lactée supporte le modèle Standard et les valeurs observées dans le rayonnement cosmologique au détriment des théories alternatives (comme une émission gamma diffuse par exemple).

Quant aux théories exotiques expliquant le Big Bang, comme celle faisant par exemple appel à des collisions entre branes de dimensions supérieures, elles ne prédisent pas une telle polarisation. Et c'est l'une des raisons pour lesquelles Planck fut construit. Les résultats vont donc au-delà des espérances.

L'Univers est isotrope

Nous avons expliqué que la distribution du rayonnement cosmologique à 2.7 K est pratiquement uniforme à travers l'entiereté du ciel; elle est isotrope. Les plus petites fluctuations sont de l'ordre d'une partie pour 105 soit ~0.00001 K. Mais cette évaluation a été faite pour des conditions particulières, en comparant les données de Planck à un modèle cosmologique réduit à un Univers en rotation sur son axe adapté à la détection d'une éventuelle anisotropie de l'Univers par rotation (l'anisotropie en mode vecteur). Or à force de simplifier les hypothèses, le modèle risque de ne plus correspondre à la réalité.

Simulation de la distribution du rayonnement cosmologique dans un Univers priviliégiant une direction. Cela ne correspond pas aux données de Planck. Document Daniela Saadeh et al./UCL (2016).

C'est pour éviter cet écueil conceptuel que la cosmologiste doctorante Daniela Saadeh du Collège de l'Université de Londres et ses collègues ont réalisé une nouvelle analyse de la polarisation du rayonnement cosmologique dont on sait que les mesures dépendent fortement des modèles anisotropiques.

Saadeh et son équipe ont considéré une approche plus générale que les modèles habituels qui en raison de simplifications des hypothèses ne disent rien de la dynamique globale de l'Univers. Or Einstein a bien insisté sur le fait que l'Univers doit être considéré comme une entité unique faite de matière-énergie distribuée dans l'ensemble du volume cosmique représenté par un espace-temps isotrope.

Les chercheurs ont donc voulu intégrer non seulement le cas particulier de la rotation mais également toutes les solutions des équations de champs d'Einstein, c'est-à-dire de ce qu'on appelle les cosmologies de Bianchi qui prennent en compte tous les degrés de liberté de l'Univers, c'est-à-dire tous les modes géométriques (scalaire, vectoriel et tensoriel) afin d'envisager d'autres situations que l'Univers en rotation comme par exemple un Univers subissant une distorsion de l'espace-temps pouvant créer des directions privilégiées. Ils ont ensuite comparé les images résultants de leur modèle à celles obtenues par la mission Planck dont on voit un extrait ci-dessus.

Les résultats de leur analyse publiés dans les Physics Review Letters en septembre 2016 montrent que leur modèle coïncide avec l'image d'un Univers dont l'expansion est identique dans toutes les directions; l'Univers n'a pas de direction privilégiée. Selon Saadeh "l'expansion anisotropique de l'Univers est fortement défavorable dans un rapport de 121000:1". Autrement dit, dans le cas le plus général l'anisotropie ne dépasse pas 1 partie dans 121000 soit 8.26x10-6. En tenant de tous les degrés de liberté simultanément, l'Univers est bien isotrope. Comme le disent certains cosmologistes, l'univers n'a pas de sens !

En guide de conclusion

En résumé, les résultats de la mission Planck confirment la théorie du Big Bang inflationnaire. Ils confirment également l'agencement actuel de l'Univers, en particulier le fait que les fluctuations de densité qu'on observe dans la carte du rayonnement à 2.725 K représentent les germes de croissance des futures structures cosmiques que sont aujourd'hui les superamas de galaxies reliés entre eux par d'immenses ponts de matière, l'ensemble étant enveloppé dans une masse d'énergie sombre.

En essayant de comprendre pourquoi le rayonnement cosmologique présente cet aspect floconneux à grande échelle, les cosmologistes et les physiciens peuvent mieux comprendre l'entièreté du processus cosmique et affiner leurs modèles.

Pour plus d'informations

L'univers des galaxies (à propos de la constante de Hubble)

The Cosmological Background Radiation, Marc Lachièze-Rey et Edgard Gunzig, Cambridge University Press, 1999

Les rides du temps,George Smoot, Flammarion, 1994

La mission Planck, ESA

Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters, Collaboration Planck, ArXiv, 2015

Planck 2015 results. I. Overview of products and scientific results, Collaboration Planck, ArXiv, 2015

Planck publications, 2013, 2015, ESA

Conférence Planck, décembre 2014

Planck results, Astronomy & Astrophysics, 2013

Planck resultats 2013 (surtout le tableau récapitulatif), Wikipedia US

Joint analysis BICEP2/Keck, 2015

BICEP/Keck Array

South Pole Telescope, U.Chicago

The Sound of Big Bang, John G.Cramer

Ned Wright's Cosmology

Andrei Linde page

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