Mise à jour 20 Avril 2019

CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
 « AUX ORIGINES DE L’UNIVERS,
EN ATTENDANT EUCLID….. »

Par Hervé DOLE

Astrophysicien, IAS, Univ Paris Saclay VP Université Paris Sud

À TelecomParisTech 46 rue Barrault Paris 13.

Le Vendredi 12 Avril 2019 à 19H00  Amphi Thévenin

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme : PlanckEuclid_SAF_DOLE-12avr19.pdf qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2018-2019.

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV, merci à Laurent Dongé) et est accessible sur Internet   N’a pas pu être filmée suite à un accident de dernière minute de notre vidéaste.

On la trouve à cette adresse   disponible dans qq jours

Encore un record de réservations battu !!

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.

Après les nombreuses publications sur les résultats du satellite européen Planck, il nous instruit ce soir sur ce qu’il faut en retenir et les conséquences que l’on en tire sur notre Univers.

Son ambition comme il le résume pour nous : comprendre la structure, l’évolution et les lois physiques fondamentales régissant l’Univers et ses constituants.

Je m’inspire pour ce CR de CR passés traitant de sujets identiques.

Un exemple pour commencer : 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 à cause de la température).

Les courbes situées en dessous représentent comment l’énergie se réparti en fonction de la taille angulaire.

C’est aussi la taille des vibrations de l’Univers primordial.

LA PREMIÈRE LUMIÈRE DE L’UNIVERS.

Au début, l’Univers est une grande (et chaude) soupe de particules, elles sont tellement nombreuses qu’elles s’entrechoquent en permanence ; les photons de lumière sont empêchés par les électrons libres de se propager librement. Mais au fur et à mesure que l’on avance dans le temps, vers les 380.000 ans, et la température baissant (il fait seulement 3000K), ces particules se calment.

Les électrons se combinent avec des protons et des neutrons pour former enfin des…..atomes.

L’Univers devient transparent.

Le champ est libre pour les photons de lumière de se propager librement.

En se propageant, ces radiations ont perdu de leur puissance (leur émission s’est décalée vers le rouge, c’est le fameux redshift) et se trouvent maintenant dans le domaine des……micro-ondes.

De ce rayonnement fossile (les cendres du feu originel !) il reste une trace que l’on peut détecter de nos jours, c’est ce que l’on appelle le rayonnement fossile ou CMB en anglais pour Cosmic Microwave Background.

C’est ce rayonnement qui a été prédit par George Gamov dans les années 1940, puis redécouvert en 1965 par Penzias et Wilson par hasard et qui a donné naissance à une lignée de satellites d’étude de ce rayonnement : COBE ; WMAP et enfin Planck.

La grande surprise de Penzias et Wilson lorsqu’ils découvrirent ce ronronnement provenant de partout dans l’Univers, a été la très grande homogénéité de ce rayonnement ; il était aux alentours de 3K c’est à dire comme prévu, dans le domaine micro ondes.

Les satellites envoyés pour l’étudier plus en détail, ont affiné les mesures, mais la valeur reste extrêmement homogène et isotrope, puisque l’on trouve dans toutes les directions : 2,728K   dont les plus petites variations sont de l’ordre de 10^-5 soit un millième de pour cent ! La différence de température entre un point rouge et un point bleu.

C’est cette vision du ciel qu’a « vu » le satellite Planck, lancé en 2009 par l’ESA.

Relevés de Planck 2018 pour le CMB. En grisé, étendue de notre Galaxie. Crédit ESA Collaboration Planck.

Or, que remarque-t-on ? Les points même très éloignés sont très homogènes, et à l’époque où se sont créées ces petites fluctuations, ils ne pouvaient pas communiquer entre elles, ils ne pouvaient pas se « parler ». 

Alors, comment expliquer une telle homogénéité ?

Une théorie a été développée à cette occasion, l’inflation.

Vers les 10^-35 sec, une expansion énorme se produit pendant un très très court instant, l’espace se dilate plus vite que la vitesse de la lumière ; et grossit d’un facteur monumental, toutes les régions de l’Univers qui étaient en contact ne le sont plus, mais elles ont gardé leur valeur d’origine. Ce qui explique l’extrême homogénéité de l’Univers. Après cette phase d’expansion exponentielle, celle-ci devient plus raisonnable pour donner naissance à l’expansion actuelle.

Une vue de l’évolution de l’Univers.

LES DEUX GRANDES QUESTIONS :

Au début de l’Univers, celui-ci semble très homogène. Pourquoi ?

Alors que maintenant, il montre une très grande inhomogénéité. Pourquoi ?

Comment peut-on expliquer cela ?

Une première réponse est apportée avec la résolution du paradoxe d’Olbers, pourquoi la nuit est-elle noire ?

Vu le nombre d’étoiles du ciel (si on suppose qu’elles sont en nombre infini), la nuit devrait briller comme en plein jour

En effet, si, quelle que soit la direction dans laquelle on porte son regard, nous trouvons une étoile, pourquoi le ciel nocturne n'est-il pas uniformément brillant ? Et pourtant la nuit est noire. Alors pourquoi???

Eh bien, c’est qu’en fait il y a ces trois phénomènes qui jouent sur ce paradoxe :

·        La vitesse de la lumière est finie, certaines lumières d’étoiles ne nous ont pas encore atteint.

·        Les étoiles ne brillent pas éternellement, elles ont eu un début et elles ont une fin, d’autre part il n’y a pas un nombre infini d’étoiles, même si ce nombre est très grand.

·        L’univers est en expansion, ce qui dilue le rayonnement dans un volume de plus en plus grand, et fait décaler les longueurs d’onde lumineuses vers les grandes longueurs d’onde, vers le rouge (redshift).

On en déduit aussi qu’il existe un horizon cosmologique, au-delà duquel on ne peut rien voir.

Mais si la nuit paraît noire dans le spectre du visible (ce à quoi notre œil est sensible), ce n’est pas le cas dans d’autres longueurs d’ondes : le ciel est illuminé notamment en infra rouge et en micro ondes.

Il existe d’autres longueurs d’ondes dans lesquelles on peut contempler notre Galaxie, comme les X , les gamma etc..

Voir notre galaxie vue dans un grand nombre de longueurs d’ondes.

LE SATELLITE PLANCK :

On a déjà tout dit sur ce fabuleux télescope en micro-ondes qu’est Planck, voir par exemple :

·        conférence de F Bouchet à la SAF

·        conférence de presse de l’ESA du 21 Mars 2013

Films de présentation sur Planck : je vous en propose deux :

    Vidéo:

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et un autre  
Planck’s view of the Universe.

Il tourne sur lui-même en une minute et effectue un relevé complet du ciel en 6 mois, les scientifiques espéraient 2 relevés pour une mission parfaitement accomplie, ils en ont eu 5 !

La précision de Planck est telle, aussi, qu’une année de relevés de Planck est équivalent à 1000 années de relevés de WMAP, le satellite de la génération précédente.

Planck photographie l’Univers dans 9 canaux , les plus importants pour le CMB sont ceux de 70 ; 100 et 143 GHz.

Le problème a été de traiter les différents canaux et de séparer ainsi le signal utile du CMB des autres influences, comme on le voit sur cette illustration.

D’autres combinaisons permettent d’accéder à d’autres données concernant le fond du ciel comme on en parle dans cet article publié par la collaboration Planck : Planck components separation

Les points sur la carte du CMB peuvent être décomposés de façon harmonique et nous permettent d’atteindre le « spectre de puissance » (angular power spectrum) qui mesure les fluctuations des températures par rapport à la taille des taches.

Ce graphique représente de combien varie la température 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. Il n’y a pas assez de points en fait dans les grands angles (Hervé Dole dit que c’est par ce que nous faisons des mesures sur un seul univers !)

·        Le CMB montre aussi que l'Univers vibre comme la peau d'un tambour, on s'en aperçoit en traçant le spectre de puissance de ce bruit de fond.

·        L’étude détaillée de ce spectre permet aux physiciens de déterminer de nombreux paramètres cosmologiques.

L’UNIVERS PEUT ÊTRE DÉCRIT AVEC SEULEMENT 6 PARAMÈTRES.

En effet, Planck a déterminé que l’Univers pouvait être décrit uniquement à l’aide d’un jeu de 6 paramètres !

C’est le modèle LCDM (Lambda Cold Dark Matter).

Il mène à une nouvelle (mais très peu différente du modèle précédent) composition de l’Univers : un petit peu plus de matière ordinaire et noire et à un âge d’Univers légèrement plus vieux : 13,797 Ga (remarquez la précision :!!).

De tout ceci on en déduit la composition de l’Univers en masse/énergie :

Les résultats de Planck indiquent que le mélange des constituants contient un peu plus de matière que d’énergie.

26,8% de matière noire

4,9% de matière ordinaire (nous sommes bien peu de chose !)

68,3% d’énergie noire.

Planck révèle aussi la matière noire.

La lumière primordiale du CMB, pour nous parvenir, traverse l’espace où elle peut par endroit rencontrer des masses de matière ordinaire et noire (amas de galaxies par exemple) et subir des légères déviations dues à un effet de lentilles gravitationnelles, si bien que ce que l’on (Planck) observe est altéré par cet effet.

Les rayons lumineux sont légèrement déviés et donnent ainsi une image déformée à l’arrivée (maintenant).

On peut voir aussi une animation gif d’une portion d’Univers sans effet lentille et avec.

En retranchant l’action de cette matière on peut accéder au CMB tel qu’il était à l’origine et aussi ainsi remonter et reconstruire la carte des masses de la matière noire qui produit l’effet détecté.

AVENIR : EUCLID.

Comment caractériser l’énergie sombre ?

On suppose que l’énergie sombre se comporte, ainsi que les autres composants de l’Univers, comme un fluide parfait.

Elle doit donc obéir à une équation d’état.

L’équation d’état, c’est la relation entre la pression et la densité de ce fluide ; on le note :

W = P/r

Quelques valeurs :

·        Pour les photons :                                                           W = 1/3

·        Pour la matière noire et la matière ordinaire :                  W = 0

·        Pour une constante cosmologique (énergie sombre) :           W = -1

Mais le W peut dépendre du temps :    W = Wp   +   Wa(t)

Un des buts d’Euclid est de mesurer avec précision :

·        Wp 10 fois meilleure qu’aujourd’hui, et atteindre mieux que 1%

·        Wa 40 fois meilleure qu’aujourd’hui et atteindre mieux que 5%.

On va donc observer l’évolution de la matière noire et des galaxies, et on va essayer de se situer par rapport à l’époque de la transition (période où la matière noire dominait l’énergie sombre) déjà évoquée.

Des effets infimes vont devoir être mesurés, et il faudra donc construire de nouveaux outils et établir le protocole de nouvelles expériences.

Mais Euclid va aussi déterminer la distribution de matière noire en fonction de la distance, c’est à dire qu’il va déterminer le spectre de puissance de la matière noire et des galaxies au cours du temps.

Il faut pouvoir mesurer un grand nombre de redshifts, ce sera le cas avec les redshifts photométriques en IR.

Elle va accueillir le plus grand CCD au monde : 600 Mpix, mesures dans le visible et l’IR.

Euclid, mission de l’ESA est surtout une mission franco-italienne.

Plus de détails sur la présentation de Y Mellier citée en référence plus vas.

POUR ALLER PLUS LOIN :

Big Bang et univers : Planck confirme le modèle cosmologique standard

Planck image gallery

Planck 2018 Cosmology & Parameters

Planck cosmological legacy highlights par F Bouchet

 Le côté obscur de l’Univers par H Dole de l’IAS.

La mission Planck, état et perspectives : CR de la conf. IAP de F Bouchet du 1er Juin 2010

La mission Euclid (mat noire, énergie sombre) : CR conf IAP de Y Mellier du 7 Avril 2015

Le site du consortium Euclid.

Le site d’Euclid à l’ESA.

Prochaine conférence mensuelle de la SAF à TeleComParistech : Vendredi 17 Mai 2019  19H00

CONFÉRENCE de Pierre GUILLARD

Sorbonne Université   IAP

Sur « EXPLORER LA FORMATION DES GALAXIES
AVEC LE FUTUR TÉLESCOPE JWST»

Réservation à partir du 9 Avril  

Entrée libre mais réservation obligatoire. (Vigipirate)

Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

www.planetastronomy.com

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