(Crédits illustrations graphiques : ESA /
Planck Collaboration)
Ce 21 Mars 2013, date tant attendue après ce
long embargo du Consortium, nous étions tous convoqués au siège de l’ESA
par le top des scientifiques de la mission Planck, pour qu’enfin on lève
le voile sur les dernières mesures de la sonde européenne.
EN RÉSUMÉ :CE QU’IL FAUT RETENIR.
Les principaux résultats de Planck :
Le modèle standard cosmologique est
confirmé, notamment l’inflation qui n’est plus une théorie
L’Univers est un peu plus vieux, il est
âgé de 13,82 milliards d’années (+/- 0,05) et non pas de 13,75,
cela tient au fait que la constante de HubbleH = 67,15 km/s/Mpc (au lieu de 72)
La composition de l’Univers est légèrement
changée : moins d’énergie noire, plus de matière noire et
normale
La platitude de l’Univers est confirmée
(il est bien euclidien).
Les fluctuations de température (ou de
densité) correspondent bien à une distribution gaussienne
Des anomalies aux grandes échelles amènent
à se poser des questions
Pas de nouvelle famille de neutrinos
envisagée pour le moment, les investigations continuent
Ces différents points seront discutés plus
bas.
Une vidéo explicative de la mission Planck.
Vidéo.
Une autre vidéo
très intéressante et plus axée sur la construction de Planck.
RAPPEL SUR LA MISSION PLANCK :
PLANCK mesure les fluctuations du corps noir
cosmologique avec une sensibilité et une résolution sans précédent.
Le satellite PLANCK d'une hauteur de 4,2 mètres
et d'un diamètre maximum de 4,2 mètres, a une masse au lancement d'environ
2 tonnes. Le satellite comprend un module charge utile et un module de
service.
La
charge utile PLANCK comprend :
La charge utile PLANCK comprend :
* un télescope grégorien de 1,75 x 1,5 m, équipé
d'un miroir primaire et d'un miroir secondaire qui collectent les radiations
micro-onde et les dirigent sur le plan focal des instruments, et d'un baffle
de protection.
* les plans focaux cryogéniques des deux
instruments HFI et LFI,
* les systèmes de refroidissement : 36.000
litres de He4 et 12.000 litres de He3 (20 millions de $ le kg !).
Le module de service héberge :
* les systèmes pour la génération et le
conditionnement de l'énergie,
* le contrôle d'attitude,
* la gestion des données et les
communications,
* les parties chaudes des instruments
scientifiques (HFI et LFI).
Il effectue un relevé du ciel en 5 à 6
mois, on espère pouvoir cumuler 4 ou 5 relevés dans sa durée de vie.
Le système cryogénique est du dernier cri et
c'est un vrai défi : il utilise un réfrigérateur
à dilution 3He-4He qui permet d'atteindre une température
de 0,1K; Planck est alors le point le plus froid de l'Univers.
Le refroidissement se produit en plusieurs étapes
:
* Un refroidissement passif d'abord pour amener
à 50K
* Un refroidissement par adsorption qui amène
à 18K
* Un étage de compresseurs : 4K
* Et finalement le réfrigérateur à dilution
He3/He4 qui amène au 0,1K recherché.
Les détecteurs sont
des bolomètres analogues à des capteurs de température,
ce sont eux qui nécessitent un tel refroidissement, car c’est aux
alentours de 0,1K qu’ils sont le plus sensibles.
Ils sont fabriqués sous la responsabilité de
l’IAS à Orsay.
Finalement Planck est parfaitement lancé avec
son collègue Herschel de
Kourou par une Ariane5 en Mai 2009.
Ils vont se positionner tous les
deux au point de Lagrange n°2 en Juillet 2009 à 1,5
millions de km de la Terre côté opposé au Soleil.
La mission primaire de Planck est :
* La cartographie du CMB avec très grande précision
* La vérification de la théorie de
l'inflation
* La polarisation du rayonnement, on a réellement
commencé à avoir des résultats
* De lever le doute sur un point particulier
vu dans les relevés de WMAP; un
"cold spot",
un point plus froid que les autres.
Depuis Janvier 2012, Planck a épuisé son Hélium,
il n’est plus à 0,1K.
QUELQUES DONNÉES EN DÉTAIL.
Le
bruit de fond cosmoloqiue.
L’ESA et le consortium Planck diffusent enfin
la
carte la plus détaillée du rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence
– le rayonnement fossile du Big Bang.
Cette image est basée sur les données des 15
premiers mois de fonctionnement de Planck. Elle est 10 fois plus précise
que la précédente obtenue par WMAP.
Ce rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence
– CMB – présente d’infimes fluctuations de température qui
correspondent à des régions de densité légèrement différente aux époques
proches de l’origine et portent en elles le germe de toutes les structures
futures, ces étoiles et galaxies que nous connaissons aujourd’hui.
Selon le modèle cosmologique standard, ces
fluctuations se sont produites immédiatement après le Big Bang et ont été
amplifiées sur de grandes échelles cosmologiques au cours d’une brève période
d’expansion accélérée dite inflation
et qui a duré 10-32 secondes, pendant cette période l’Univers
s’est agrandi d’un facteur énorme : 1030 !!!
Les nouvelles données traitées de Planck
confirment de façon irrévocable le modèle cosmologique actuel. Elles font
quand même apparaître quelques anomalies sur les grandes échelles
angulaires (signal moins fort que prévu) qui nécessiteront de nouvelles théories.
L’image complète du ciel est tirée d’abord
des 9 images correspondant aux 9 canaux de fréquence de l’instrument
HFI ; elle est ensuite traitée
afin d’éliminer les signaux de notre propre galaxie.
Cette
animation montre comment, à grand renfort de technologies et de travail,
les équipes de Planck sont parvenues à isoler le rayonnement fossile de
l'Univers de celui des objets plus récents et donc plus proches de nous :
Vidéo.
Cette
vidéo explique comment on extrait le signal du CMB des données collectées
par Planck :
*
La première image montre toutes les sources d’émission sur le ciel
entier dans le domaine micro ondes et sub millimétrique.(27GHz à 1THz)
*
On va retrancher toutes les sources individuelles puis
*
Toutes les émissions radio de notre galaxie et ensuite
*
Toutes les émissions thermiques dues aux poussières galactiques pour
aboutir enfin au
Avant cette date de 380.000 ans après le Big
Bang, l’Univers est un plasma très chaud. Les électrons, protons,
neutrons, photons, etc.. se cognent en permanence, s’annihilent puis se
reforment, bref l’Univers naissant est un brouillard de particules.
Mais la température baissant (vers 3000K) avec
l’expansion, ces particules n’ont plus assez de force et elles se
combinent enfin pour former des atomes (les électrons s’associent aux p
et n), tout d’un coup l’Univers devient transparent, les photons
lumineux peuvent enfin s’échapper, c ‘est ce qui va créer le CMB. Ce
sont ces photons là auxquels Planck s’intéresse.
A la faveur de l’expansion de l’Univers,
cette lumière a été étirée jusqu’à atteindre aujourd’hui des
longueurs d’ondes dans le domaine des micro ondes, qui équivalent à une
température de 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu.
Ces photons contiennent en eux la trace de ce
qui existait avant dans le plasma, des pulsations plus ou moins énergétiques
(plus ou moins chaudes). Cela va donner naissance plus tard à des fluctuations de matière qui vont mener aux étoiles
et galaxies.
Le spectre de puissance (power spectrum) mesure
ces fluctuations de températures, il les décompose mathématiquement de façon
harmonique.
La
courbe représente la
puissance moyenne du rayonnement détecté en ordonnée par rapport
à la résolution angulaire en abscisse.
Les grandes échelles (90°) sont situées à
gauche et les petites dans la partie droite de la courbe.
Les points rouges sont les mesures de Planck,
la courbe verte représente la meilleure approximation passant par ces
points.
La zone verte correspond aux mesures aux
grandes échelles (en gros de 90° à 6°) elles sont 10% plus faibles que ce
que l’on attendait.
Ce graphique représente la variation de la
température (ou la densité) en chaque point du ciel.
Le grand pic correspond à l'harmonique
fondamental (comme pour un instrument de musique) qui indique la taille
typique d'un "grumeau" du ciel approximativement 1°. Les pics
secondaires (les "harmoniques") donnent d'autres informations
complémentaires.
La gauche du spectre est celle qui s'éloigne
le plus de la courbe idéale, il
y a des anomalies locales.
Cela correspond aux "basses fréquences"
comme la perte de puissance dans les graves d'un instrument de musique,
c'est à dire aux grandes échelles angulaires.
Le CMB montre aussi que l'Univers vibre comme
la peau d'un tambour, c’est ce qu’indique ce spectre de puissance de ce
bruit de fond.
L’étude
détaillée de ce spectre permet aux physiciens de déterminer de nombreux
paramètres cosmologiques.
Le modèle cosmologique actuel qui décrit la
structure et l’évolution de l’Univers marche en fait très bien à
petite échelle (tout est relatif !) c’est à dire pour les galaxies
et les amas de galaxies, mais, aux plus grandes échelles (là où la courbe
de puissance est un peu « floue »), ce modèle n’est pas
satisfaisant. Comme déjà dit, au niveau des grandes échelles (partie
gauche de la courbe), les résultats ne correspondent pas exactement au modèle,
cela implique-t-il que :
Le modèle standard serait-il incomplet ?
Une physique inconnue est elle en action?
Les
données sur la polarisation (2014) devraient nous en apprendre plus
Lorsque l’on s’intéresse à la différence
entre le rayonnement fossile observé et le rayonnement fossile
que l’on attend aux grandes échelles d’après ce que l’on observe aux
moyennes à petites échelles.
On s’aperçoit qu’il y a de légères différences,
dont l’amplitude est inférieure à 10 millionième de degré.
On l’a figuré sur cette image.
La
température moyenne du CMB diffère légèrement entre les hémisphères
Nord et Sud du ciel. L’hémisphère Sud semblerait légèrement plus chaud
que le Nord (séparation : ligne blanche = écliptique).
Cela tendrait à impliquer qu’il y aurait une
direction privilégiée dans l’Univers ! L’Univers serait il
« bancal » (lopsided) comme le disent nos amis américains ?
Les zones anormales sont mises en évidence par
une ombre rouge; cela semble contraire au Modèle Standard de la physique.
De plus, une région très froide (cercle
blanc) est plus grande qu’escompté. (on l’avait déjà entrevu avec
WMAP)
Ces deux anomalies intriguent les
astrophysiciens.
Une des grandes découvertes de Planck est
qu’il a affiné la valeur de la constante de Hubble (taux d’expansion
actuel de l’Univers) ; sa nouvelle valeur est : 67,15km/s/Mpc, valeur inférieure à la valeur actuelle utilisée (72) .
L’inverse de H donne un âge de l’Univers
de : 13,82 Milliards d’années, plus vieux de 100 millions d’années
que ce que l’on pensait.
Mais ce n’est pas tout, Planck a recalculé
la composition de l’Univers :
·La matière ordinaire ( les étoiles et les galaxies et …nous) représente
seulement 4,9 % de la masse/densité énergétique de l’Univers.
·La matière noire, dont l’existence n’a jusqu’ici été mise en
évidence qu’indirectement, à travers l’influence gravitationnelle
qu’elle exerce, en constitue 26,8%, soit près d’un cinquième de plus
que ce que l’on estimait précédemment.
·Par contre, l’énergie noire, force mystérieuse supposée être à
l’origine de l’accélération de l’expansion de l’Univers, représente
une proportion moindre que ce que l’on pensait auparavant.
Rappel sur les neutrinos (pris sur le site de
Planck HFI) :
Les neutrinos font partie des particules décrites
par ce que l'on appelle le Modèle Standard qui décrit de façon précise
l'ensemble des interactions entre les particules élémentaires. On sait de
ces particules qu'elles ne possèdent pas de charge électrique et qu'elles
interagissent extraordinairement peu avec leurs congénères, du moins quand
leur énergie n'est pas très élevée. On a longtemps pensé que leur masse
était nulle à l'instar des photons, mais on soupçonne très fortement
depuis 1998 qu'ils possèdent néanmoins une masse, probablement très
faible, même s'il est très difficile de la mesurer directement.
Une des recherches de Planck était de voir si
il n’y avait pas une quatrième famille de neutrinos (neutrino stérile ?).
À priori ce ne serait pas le cas d’après
les premiers résultats.
Un nombre caractérise les familles de
neutrinos, le fameux Neff (effective number of neutrinos species ou le
nombre d’espèces de neutrinos), Planck devrait nous donner une limite
haute de ce facteur.
Si Neff est légèrement supérieur à 3, il
n’y a que trois familles, pour avoir une quatrième famille, sa valeur
devrait avoisiner 4.
Planck donne comme Neff une valeur de :
3,30 +/- 0,5 ce qui semblerait exclure une quatrième sorte de neutrinos.
Mais ce n’est pas l’opinion de tous les
scientifiques (par ex l’école Chalonge de cosmologie, qui
avait raison sur toutes les autres prédictions concernant Planck), il
faudrait en fait attendre la deuxième vague de données traitées par l’équipe
Planck, pour l’année prochaine.
Des hommes heureux, ceux qui ont participé à
cette extraordinaire mission , de haut en bas et de gauche à droite :
François Bouchet (IAP, responsable de
l’analyse des données) ; Jean Jacques Dordain Directeur Général de
l’ESA ; Jean Loup Puget (IAS, resp de l’instrument HFI) ;
Paolo Natoli (Uni de Ferrara instrument LFI) ; Simon White (Dr du Max
Planck Institute of Astrophysics) ; votre serviteur avec le CMB ;
George Efstathiou (Uni de Cambridge, cosmologiste, membre de l’équipe
Planck) ;Jan Tauber (resp scientifique du projet Planck) ; Roger
Maurice Bonnet (Cospar, ISSI).
Ce briefing est disponible en vidéo et peut être
vu en deux parties :
Discours
de JJ Dordain Directeur Général de l’ESA.
Il
est fier de pouvoir présenter ces nouvelles données tant attendues qui
font gagner un ordre de grandeur par rapport à WMAP.
Cela
est dû principalement à un système cryogénique de conception totalement
nouvelle et unique au monde.
Planck,
coopération de plus de 1000 scientifiques.
George Efstathiou.
C’est
une mine d’or d’information.
Carte
du ciel de 5 millions de pixels, qui contient l’histoire de notre Univers.
Nous
n’en voyons que 5%, le reste nous est (encore) inconnu : matière
noire, énergie noire.
L’inflation
est bien confirmée, elle a étendu l’Univers à une vitesse supérieure
à la vitesse de la lumière.
À la fin de
l’inflation, l’Univers à la taille d’un pamplemousse !
Pendant
cette période les fluctuations quantiques originelles ont donné naissance
à ces graines de matière qui seront plus tard les grandes structures de
notre univers.
Il
y a un très bon accord entre les données recueillies et les modèles en
cours, à l’exception du domaine des grandes structures.
D’autres
données sont en train d’être traitées.
Et
il conclut par : We’ll be back !!!
Jan
Tauber.
« The
legacy of Planck »
Il
nous fait l’historique de la mission :
*
première conception : 1992
*
approuvé par l’ESA en 1996
*
lancement en 2009
*
fin de la mission la plus pointue en Janvier 2012 (plus d’Hélium)
Une
centaine d’institutions ont participé au programme.
Des
satellites comme COBE (1992) et WMAP (2003) ont montré la voie à Planck.
Il
montre ensuite les résultats décrits plus bas.
François
Bouchet.
« The
fundamental characteristics of our Universe ».
Le
graphe du CMB nous permet de voir bien plus loin que les 380.000ans, il nous
donne accès aux fluctuations quantiques.
On
compare les prédictions des modèles avec les données, pour déterminer
quel est le meilleur jeu de paramètres pour un modèle donné.
Il
y a 6 paramètres essentiels pour décrire ce modèle :
*
3 paramètres fixés par la Relativité Générale
*
1 paramètre correspondant à la réionisation (fin des âges sombres)
*
2 paramètres pour décrire les fluctuations primordiales.
Les
nouvelles valeurs de ces paramètres permettent de modifier légèrement la
composition de l’Univers ainsi que le taux d’expansion.
Paolo
Natoli.
« Is
the Universe as simple as our models indicate?”.
Il
nous parle des anomalies possibles ; elles nous forcent à réfléchir
à compléter le modèle actuel pour les inclure dedans.
Il
s’est aussi intéressé à la non gaussianité des fluctuations. En effet
la grande question est de savoir si ces fluctuations primordiales obéissent
à une loi de Gauss. (distribution gaussienne).
Le
résultats des mesures indiquent que les fluctuations sont bien gaussiennes.
Simon
White.
« Planck’s
view of the Universe in front of the CMB, gravitational lensing and SZ
effect”.
Les
effets gravitationnels de la matière courbent les signaux lumineux de la
lumière du CMB avant d’atteindre les détecteurs de Planck
Une
animation projetée d’une partie du ciel entre avant/après traitement de
l’effet lentille gravitationnelle, n’est pas flagrante de clarté.
Il
conclue sur le bruit de fond cosmologique Infra Rouge et la distribution des
baryons.
Jean-Loup
Puget.
« The
Planck high frequency instrument ».
HFI
est un instrument extraordinairement précis. À quoi est due une telle précision.
À la qualité et à la stabilité du refroidissement.
Celui-ci
permet de descendre jusqu’à 0,1K, le point le plus froid de l’Univers !
La
sonde effectue un scan par minute et permet une vue complète du ciel en 6
mois. Plusieurs scans complets du ciel sont effectués pendant sa vie opérationnelle.
Graphique
des performances des 3 niveaux de refroidissement de Planck.
En
horizontal, le temps passé depuis le départ en jours.
Courbe
rouge : étage cryo des bolomètres à 0,1K.
Courbe
verte : étage du plateau optique à 1,4K.
Courbe
bleue : étage du plateau optique à 4K.
Tout
ceci permet de garantir pour chaque pixel de l’image du CMB des écarts
dont la précision est un million de fois plus petite que l’intensité
moyenne du CMB.
Nazzareno
Mandoloesi.
Et
c’est lui qui tire la conclusion de cette très intéressante journée, en
nous conviant aux prochaine résultats de Planck en 2014 ; nous
devrions alors être capables :
·d’avoir
plus de données car l’instrument LFI fonctionne toujours
·de mesurer
la polarisation (onde de densité)
·et peut être
de pouvoir en déduire des informations sur la particule « inflaton »
et sa nature
·d’être
capables de dire si il nous faut une nouvelle physique à cause des
anomalies
·et de répondre
à la question suivante : est-ce que le Higgs est l’inflaton ?
La
charge utile PLANCK comprend :
