Mise à jour le 29 Nov 2017
ACTUALITÉS COSMIQUES
École Internationale
Daniel Chalonge – Hector De Vega
SÉANCE OUVERTE DE
CULTURE SCIENTIFIQUE
Le 23 Novembre 2017
Maison de l’Argentine Paris 14ème
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution
peuvent m'être
demandées directement ; toutes les photos
ont été envoyées à l’École et sont à votre disposition).
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.
Voir les crédits des autres photos.
Certaines présentations originales sont disponibles sur le site
de l’école, je le signalerai à chaque fois.
Colloque organisé régulièrement par Madame
Norma Sanchez,
Directrice de l'École Internationale d'Astrophysique "Daniel Chalonge", ce
colloque est réservé à un public « averti ».
·
Introduction par Mme Norma
Sanchez.
·
Exploration de l’Univers
primordial avec QUBIC par JC Hamilton de l’APC.
·
Le côté obscur de l’Univers
par H Dole de l’IAS.
·
Images et Science par
Hélios Jaime, épistémologue.
·
Radiation cosmique,
dosimétrie en Argentine par A. Zanini de l’INFN.
·
La collation bien méritée…..
Maison de l’Argentine à
la Cité Universitaire de Paris.
INTRODUCTION AU COLLOQUE PAR NORMA SANCHEZ DIRECTRICE DE L’ÉCOLE.
Nous sommes particulièrement heureux de la reprise de ces
réunions par Mme Norma Sanchez, cela nous manquait
Elle nous présente
le programme de l’année
et celui de la soirée.
Norma nous propose la première conférence, ce sera celle de Jean
Christophe Hamilton de l’APC, qui doit partir aussitôt après en déplacement.
EXPLORATION DE L’UNIVERS PRIMORDIAL AVEC L’EXPÉRIENCE QUBIC PAR JC HAMILTON DE
L’APC.
Jean
Christophe Hamilton est Dr de recherche au CNRS (IN2P3), il travaille au
laboratoire d’Astro Particules et Cosmologie (APC)
de Paris 7.
Il est responsable de l’expérience QUBIC dont nous allons parler.
Il donne aussi des cours de cosmologie moderne à Paris 7, que je
vous conseille de consulter absolument.
·
Partie 1
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Partie 2
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Partie 3
·
Partie 4
D’après le modèle standard de la cosmologie :
•
L’Univers est en expansion
•
L’Univers est plat :
Wtot≈1
•
Il contient de la matière noire quantité connue,
nature inconnue
•
Il contient de l’énergie sombre quantité connue,
nature inconnue
Le bruit de fond cosmologique (CMB), image de l’Univers au moment
de l’émission de sa première lumière (que l’on appelle recombinaison, les atomes
deviennent neutres et laissent passer la lumière), permet de remonter à ce qui
s’est passé au moment de l’inflation, au moment où l’Univers n’était que plasma.
À l’époque du CMB, se produit donc les dernières diffusions des
photons (effet Thomson) sur des électrons, les électrons vibrent dans la
direction du champ électrique suivant
deux
polarisations distinctes (les modes E, puissant et modes B
tourbillonnaires).
La plupart des phénomènes cosmologiques dans l’Univers sont du
mode E.
Mais lors de l’inflation, des vibrations de l’espace-temps ont
engendré des Ondes Gravitationnelles (primordiales,
ne pas confondre avec celles que l’on découvre actuellement) qui ont polarisé
l’Univers en mode B.
Leurs détections est sujet à de nombreuses expériences depuis des
années.
D’ailleurs elles devraient confirmer l’inflation.
L’expérience américaine BICEP 2 a annoncé de manière un peu
prématurée la découverte d’un mode B en utilisant des données de Planck sur
lesquelles le fond Cosmic Infrared Backgroud (lié aux jeunes galaxies dont le
rayonnement red shifté se retrouve dans la même région du spectre que celles des
poussières de la Galaxie) n’avait pas été enlevé.
L’étude des polarisations introduit ce que l’on appelle
les
paramètres de Stokes Q et U qui la définissent.
La mesure de ces modes B primordiaux est très difficile, à cause
des sensibilités mises en jeu.
C’est un vrai défi auquel s’attaquent les astrophysiciens pour
pénétrer ainsi au cœur de ces premiers instants.
C’est le but premier du projet QUBIC, acronyme de QU Bolometric
Interferometer for Cosmology, qui doit déterminer les anisotropies du CMB par
méthodes interférométriques utilisant des bolomètres.
Les détecteurs sont
des
bolomètres analogues à des capteurs de température, ils nécessitent un
refroidissement puissant, car c’est aux alentours de 0,1K qu’ils sont le plus
sensibles. (Planck utilise des bolomètres)
QUBIC est
une collaboration
internationale de 6 pays et de 22 laboratoires.
L’interférométrie bolométrique est une nouvelle technologie très
prometteuse. La recherche du mode B se heurte à plusieurs difficultés,
notamment :
La polarisation B est approx 10x plus faible que E
L’amplitude est faible
Il faut soustraire les avants plans (notre galaxie par exemple)
Influence de la diffraction optique
Etc…
QUBIC devrait combiner les avantages de l’interférométrie et de
l’utilisation de capteurs bolométriques.
Il opère dans deux gammes de fréquences : 150 GHz et 220GHz.
Il comporte
2048 bolomètres
de 3mmx3mm fabriqués en France à Orsay. Ils sont lus par multiplexage et les
signaux dirigés vers un microprocesseur de leur fabrication.
Les signaux issus des deux canaux sont envoyés sur des miroirs
puis dirigés vers les
400 cornets (horns) de détection.
On voit le principe ci-contre.
Sur la gauche de la diapo on voit les franges d’interférences
formées.
L’intégration de l’ensemble a commencé, on voit les détails sur
l’illustration à gauche.
1,5m de haut, 1,4m de diamètre pour une masse de 800kg.
La France est partie prenante dans ce projet au travers notamment
de l’APC, de l’IAS et de l’IRAP.
En 2018 on devrait procéder à l’installation sur le site et aux
premières expériences en 2019.
Le site d’observation
choisi est l’Argentine.
Situé à 5000m d’altitude et pas loin de l’Atacama (de l’autre
côté de la frontière). Bonne logistique.
CONCLUSION :
QUBIC est un nouveau concept d’instrument dédié à l’étude de la
polarisation du CMB et à la physique de l’inflation.
·
Très sensible avec ses 2048 bolomètres
·
Spectro-imageur à deux bandes 150 et 220 GHz
·
L’intégration est en cours
·
Premiers résultats attendus en 2018/2019
POUR ALLER PLUS LOIN :
Exploring the primordial Universe with QUBIC, the Q U Bolometric Interferometer
for Cosmology par JC Hamilton, une présentation (2016) similaire à celle
décrite ici.
À voir.
Exploring the primordial
Universe with QUBIC the Q U Bolometric Interferometer for Cosmology
par JCH (version 2012)
Exploring the primordial
Universe with CMB Polarization
(version 2010) (en
français)
BIC Technical Design Report,
tous les schémas et courbes
QUBIC: The QU Bolometric
Interferometer for Cosmology
sur arxiv.org
La
cosmologie aujourd’hui par JCH, très bien et très clair. À voir
Le mode B par Futura sciences.
Les tout derniers résultats de Planck : CR de la conf SAF de F. Bouchet le
11 Février 2015
LE
CÔTÉ OBSCUR DE L’UNIVERS PAR HERVÉ DOLE DE L’IAS.
Hervé Dole est astrophysicien à l’IAS (Institut
d’Astrophysique Spatiale) d’Orsay et maître de conférences à l’Université
Paris Sud.
L’IAS est spécialisé dans l’instrumentation spatiale, le
traitement des données et l’élaboration de modèles.
Hervé Dole est un spécialiste notamment du bruit de fond
cosmologique.
Il
vient de publier « Le
côté obscur de l’Univers » qui explique les mystères de la physique moderne,
tout ce qui est « noir » matière, énergie etc..
Comment les galaxies se sont-elles formées ? Où se cache la
matière noire ? Quelle est la nature de l’énergie sombre ? Les mystères de
l’univers ne cessent de questionner l’humanité.
L’astrophysique lève le voile sur beaucoup d’entre eux, mais de
nombreuses questions demeurent. Grâce au satellite européen Planck, nous avons
une première image de l’univers 370
000 ans seulement après sa
naissance, livrant de précieuses informations sur l’origine des grandes
structures extragalactiques. En 2021, le satellite européen Euclid prendra sa
suite, à la poursuite de la matière noire et de l’énergie sombre, moteur de
l’expansion de l’univers
Il profite de l’occasion de cette publication pour nous parler
des thèmes décrits dans cet ouvrage.
Et notamment le questionnement scientifique sur l’histoire de
l’Univers :
·
Donner à voir les dessous des découvertes
·
Raconter l’Humain et l’aventure humaine
·
Décrire les relations entre science et société
LE
RAYONNEMENT COSMOLOGIQUE.
Mais qu’est-ce donc que ce fond cosmologique?
Le Big Bang chaud avait dû laisser une trace de cette énergie
originelle, ce CMB est en fait l’image la plus lointaine que l’on puisse
observer de cette époque reculée. C’est
une radiation originelle
des premiers temps de l’Univers où celui-ci était dense et chaud.
Elle date de 380.000 ans après le BB. Avant cela les photons ne
circulaient pas librement.
Ces découvertes du XXème siècle nous permettent de décrire
l’histoire de l’Univers et de dater son évolution.
Ce fond diffus, le CMB a été découvert par hasard par Penzias et
Wilson alors que c’était Robert Dicke et ses collègues de Princeton qui le
cherchaient et que c’était Gamov qui l’avait prédit. Un rayonnement uniforme de
faible température (quelques K) baignait l’Univers.
Ces radiations ont perdu de leur puissance (redshift) et se
trouvent maintenant dans le domaine des……micro-ondes.
Et on a un problème avec ce rayonnement que
l’on a pu observé :
Tous les points du ciel (bleus et rouges) ont la même température
(2,725K) à 100 µK près!!!
Ce bruit de fond s’appelle aussi surface de dernière diffusion.
Pourquoi ce nom ? L’Univers primordial est opaque, c’est une
soupe de particules qui s’agitent se combinent et se recombinent en fonction de
la température. Les photons n’ont pas la possibilité de s’échapper, ils sont
immédiatement combinés à d’autres particules (les électrons), combinaison qui se
fait principalement par diffusion
Thomson (qui est un cas particulier de la diffusion
Compton).
La température baissant avec le temps qui passe, l’Univers
devient moins dense, les électrons peuvent enfin se combiner avec des noyaux de
H ou He pour former des atomes. Les photons sont libres de se propager,
l’Univers devient transparent ; c’est l’image de cette première propagation que
l’on voit dans le CMB.
La diffusion Thomson ne se produisant plus, le nom de surface de
dernière diffusion a été donné à cette époque.
Une analogie avec la surface du Soleil.
C’est
la même physique qui régit les deux phénomènes.
À gauche la surface du Soleil, à droite l’image du CMB.
Le Soleil est un plasma où les photons internes mettent plus de 1
million d’années à sortir (à cause de l’énorme densité de matière, comme pour le
CMB où ils ne peuvent pas sortir avant 380.000ans).
Les courbes situées en dessous représentent comment l’énergie se
répartit en fonction de la taille angulaire.
C’est aussi la taille des vibrations de l’Univers primordial.
La meilleure
comparaison pour l’intérieur du Soleil (et des étoiles) est ….un
oscillateur harmonique !
En effet les
équations des vibrations sont pratiquement identiques entre étoiles et
oscillateur
L’analyse
de ce bruit de fond cosmologique donne aussi une indication de la composition de
l’Univers, car ces vibrations dépendent de la masse et de la composition.
On en déduit
l’Univers en chiffres très précisément à quelques % près.
Mais tout
n’est pas résolu :
· On
ne sait pas ce qu’est la matière noire
· On
ne sait pas ce qu’est l’énergie noire.
Les données
du satellite Planck ont amélioré nos connaissances en ce domaine, il est plus de
50 fois plus précis que WMAP et 1000 fois plus précis que COBE.
L’OBSERVATOIRE SPATIAL PLANCK.
L’histoire de
Planck et ses dernières infos vous sont révélées
sur ce site périodiquement.
Les premiers
dessins concernant Planck datent de …1993, et il fut effectivement lancé en Mai
2009 !
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 :
· 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,
aboutissant à un refroidissement de 0,1K, c’est le point le plus froid de
l’Univers !
· 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).
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.
9 fréquences sont étudiées de 30GHz à 857 GHz permettant une
analyse fine des différents rayonnements.
Le
spectre de puissance du CMB. (reprise d’un texte précédent)
Les fluctuations dans le CMB sont un peu comme des vagues de
différentes hauteurs sur la mer (de différentes largeurs sur la carte du CMB)
que l’on va analyser en fonction de leur hauteur (de leur largeur pour le CMB) ;
cela va nous donner le fameux spectre de puissance (angular power spectrum).
Celui-ci mesure les fluctuations des températures par rapport à
la taille des taches.
On y
remarque 7 pics, dont le plus important à 1°.
Ce graphique représente de combien varie la température en chaque
point du ciel, c’est son empreinte digitale !
Le spectre de puissance est comparé à différents modèles
d’univers, on regarde quel modèle colle le mieux avec les mesures, Ici la courbe
verte correspond au modèle et les points rouges sont les mesures.
Ça colle parfaitement ! Ce spectre corrobore la théorie.
On compare les prédictions des modèles avec les données des
observations pour déterminer le meilleur jeu de paramètres pour un modèle donné.
LES
PARAMÈTRES COSMOLOGIQUES.
En fait, toutes les mesures Planck confirment la même histoire de
l’Univers, elles confirment le meilleur modèle ; celui qui comporte
6 paramètres ;
c’est le LCDN
(Lambda Cold Dark Matter) ou modèle de concordance.
Remarquons la précision sur l’âge de l’Univers :
13,799 +/- 0,038
Milliards d’années (Ga ou Gyr en anglais)
Ce modèle actuel comporte l’inflation, un espace plat, de la
matière noire, de l’énergie noire….
Planck et
la matière noire.
La lumière primordiale du CMB, pour nous parvenir, traverse
l’espace où elle peut par endroit rencontrer des masses de matière (amas de
galaxies par exemple) et subir un effet de lentilles gravitationnelles, si bien
que ce que Planck observe est altéré par cet effet.
Les
rayons lumineux sont légèrement déviés et donnent ainsi une image déformée à
l’arrivée (c’est-à-dire à notre époque).
Cet effet de lentille gravitationnelle laisse une légère
empreinte dans la température et la polarisation du CMB, empreinte qui peut être
utilisée pour
reconstruire la carte de ces masses provoquant ces déviations. Ce n’est
pas une tache facile, mais basée sur des mesures statistiques, les physiciens
sont parvenus à reconstruire cette carte projetée sur la ligne de visée. Voici
donc la carte de la matière sombre (principalement) contenue dans l’Univers
depuis les 380.000 ans jusqu’à maintenant et qui provoque l’effet de lentille
gravitationnelle sur le CMB. Les régions avec plus de masse sont en couleur
claire, celles avec moins de masse en foncé.
On ne peut pas caractériser le centre de l’image qui est notre
propre galaxie.
C’est la projection d’une image 3D de la distribution de la
matière noire à travers l’Univers, projetée en 2D sur notre ciel.
La
conclusion.
Planck a parfaitement fonctionné pendant 2 ans (5 scans du ciel)
à 0,1K.
On procède toujours au dépouillement des données sur la
polarisation
De nombreux résultats ont été diffusés comme : les paramètres,
l’inflation, les neutrinos, la matière noire, etc…
Seulement 6 paramètres sont nécessaires pour définir l’Univers.
On a effectué une corrélation entre le CIB (Cosmic IR Background,
fond IR) et la présence de matière noire.
POUR ALLER PLUS LOIN :
Cosmological results from Planck par H Dole (2015)
très bon
Uncovering CMB B-modes with Planck par Chris Crowe et G. Efstathiou, S.
Gratton, et la collaboration Planck.
Les anisotropies du CMB :
CR de la conférence de R Durrer à l'IAP du 11 Juillet 2006
La nuit n’est pas noire :
CR d’une conférence version précédente de H. Dole aux RCE 2010 le 14 Nov 2010
Le site français de Planck HFI.
Planck 2013 results. XVIII.
Gravitational lensing-infrared background correlation
Observation & mesure en astrophysique par H Dole
IMAGES
ET SCIENCES PAR H. JAIME ÉPISTÉMOLOGUE.
Puis c’est au tour d’Hélios Jaime, linguiste Épistémologue
écrivain, docteur Université Paris-Sorbonne de nous entretenir quelques
instants.
Il nous montre les différentes sections du cerveau impliquées par
le langage, la vue ou la musique.
RADIATION COSMIQUE, DOSIMÉTRIE EN ARGENTINE PAR A. ZANINI DE L’INFN.
Madame Alba ZANINI, Directrice de recherche au sein de l’INFN
(Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) en Italie et Ambassadrice de la Ville de
Turin et de l’École Internationale d’astrophysique Daniel Chalonge-Héctor de
Vega :
« Les radiations cosmiques et leurs impacts sur l’humain, le
climat et l’environnement : Missions spatiales, vols et laboratoires en haute
altitude, Antarctique et projets internationaux en Argentine ».
Les rayons cosmiques sont des particules de haute énergie qui
sillonnent la galaxie et peuvent même provenir d’autres galaxies.
Ce sont principalement des ions positifs comme des protons ou des
noyaux d’atomes comme He, C, O, Fe etc..
En rencontrant la Terre, ils interfèrent avec la haute atmosphère
et produisent des particules secondaires qui arrivent au sol : neutrons, gamma,
électrons, muons, etc…
On ne peut les détecter qu’indirectement.
L’activité solaire (les taches, les CME…) est à l’origine du vent
solaire qui, favorise plus ou moins la quantité des rayons cosmiques.
Le vent solaire est en fait une protection contre les cosmiques
galactiques, donc une forte activité solaire donne moins de rayons cosmiques au
niveau de la Terre.
Lorsque ces particules arrivent dans l’atmosphère, des radiations
secondaires sont produites
De plus l’activité solaire (le nombre de taches augmente avec
l’activité par exemple) a une influence sur le climat terrestre.
Nous sommes actuellement (fin du cycle solaire 24) plutôt dans
une période d’activité minimale de notre étoile, comme l’illustration ci-contre
le montre.
On voit sur la partie inférieure de la diapo, l’évolution du
nombre de taches solaires au cours des derniers cycles.
Le Brésil et l’Argentine participent à une mission spatiale
commune, la mission SABIA-Mar (Satélite Argentino Brasileño para Información del
Mar). Ce satellite devrait être lancé en 2020 sur une orbite polaire à 650km
d’altitude.
Une de ses missions est de quantifier les sources principales de
radiations dans l’espace.
Gamme de mesure : 10 KeV à 20 MeV. Dose de 0,01µSv/h à 10mSv/h.
POUR ALLER PLUS LOIN :
Environmental radiation
dosimetry at Argentine Antarctic Marambio Base (64° 13′ S, 56° 43′ W):
preliminary results
The assessment of space
radiation exposure of biology experiments during two short-term missions
par Alaba Zanini et al.
Liulin-AR spectrometer for radiation environment observation on SABIA-MAR 1
satellite
Puis Norma nous demande
de passer dans la pièce à côté…….
À la prochaine !
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin SAF Président de la Commission de Cosmologie
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