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Planck dévoile une nouvelle image du Big Bang

Lancé en 2009, Planck, le satellite de l’Agence spatiale européenne (ESA) dédié à l’étude du rayonnement fossile, livre aujourd’hui les résultats de ses quinze premiers mois d’observations. Ils apportent une moisson de renseignements sur l’histoire et la composition de l’Univers : la carte la plus précise jamais obtenue du rayonnement fossile, la mise en évidence d’un effet prévu par les modèles d’Inflation, une révision à la baisse du rythme de l’expansion de l’Univers, ou encore une nouvelle évaluation de la composition de l’Univers. Bon nombre de ces données ont été obtenues grâce au principal instrument de Planck, HFI, modélisé notamment à l’IPAG.

Depuis sa découverte en 1965, le rayonnement fossile constitue une source de connaissance précieuse pour les cosmologistes, véritable « Pierre de Rosette » permettant de décrypter l’histoire de l’Univers depuis le Big Bang. Ce flux de photons détectable sur l’ensemble du ciel, dans la gamme des ondes radio, témoigne de l’état de l’Univers lors de sa prime jeunesse et recèle les traces des grandes structures qui se développeront par la suite. Produit 380 000 ans après le Big Bang, au moment où se formèrent les premiers atomes, il nous arrive quasi inchangé et permet aux scientifiques d’accéder à l’image de ce que fut le cosmos à sa naissance, voici environ 13.8 milliards d’années. Confronter ces mesures aux modèles théoriques peut nous apporter de multiples informations : non seulement sur l’évolution de l’Univers depuis l’apparition du rayonnement fossile, mais également sur des événements antérieurs qui en sont la cause et pour lesquels les astrophysiciens disposent de peu d’observations.

Une nouvelle carte du rayonnement fossile

C’est l’une de ces fenêtres sur l’Univers primordial que vient d’ouvrir la mission Planck. Lancé en 2009, ce satellite de l’ESA a, durant un an et demi, dressé une carte de ce rayonnement fossile sur l’ensemble du ciel. Planck possède deux instruments dont l’un, l’Instrument haute fréquence HFI, a été conçu et assemblé sous la direction de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) avec un financement du CNES et du CNRS. Grâce à eux, il a pu mesurer avec une sensibilité sans précédent les variations d’intensité lumineuse de l’Univers primordial, venant affiner les observations des missions spatiales COBE (lancée en 1990) et WMAP (en 1998). Ces variations d’intensité lumineuse (qui se présentent sous la forme de taches plus ou moins brillantes) sont précisément l’empreinte des germes des grandes structures actuelles du cosmos et désignent les endroits où la matière s’est par la suite assemblée, puis effondrée sur elle-même, avant de donner naissance aux étoiles, galaxies et amas de galaxies.

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Carte de la température du rayonnement fossile sur tout le ciel réalisée par la collaboration Planck à partir des données recueillies par les instruments HFI et LFI du satellite. L’échelle de couleur est en millionièmes de degré : c’est l’écart par rapport à la température moyenne de -270.425 ℃ mesurée par le satellite COBE en 1992.
© ESA - Collaboration Planck

Selon certaines théories, l’origine de ces « grumeaux » ou « fluctuations » du rayonnement fossile est à chercher du côté de l’ « Inflation », un évènement survenu plus tôt dans l’histoire de l’Univers. Durant cet épisode, très violent, qui se serait déroulé environ 10-35 secondes après le « Big Bang », l’Univers aurait connu une brusque phase d’expansion et aurait grossi de manière considérable, au moins d’un facteur 10 26. Planck a permis de démontrer la validité de l’une des prédictions essentielles des théories d’Inflation : l’intensité lumineuse des « fluctuations à grande échelle » doit être légèrement supérieure à celle des « fluctuations à petite échelle ». En revanche, pour les plus grandes échelles (supérieures à 1°, soit deux fois le diamètre de la Pleine Lune), l’intensité observée est inférieure de 10% aux prédictions de l’Inflation, un mystère qu’aucune théorie ne parvient à expliquer aujourd’hui. Planck confirme par ailleurs avec certitude l’existence d’autres anomalies observées par le passé comme une mystérieuse asymétrie des températures moyennes observées dans des directions opposées ou l’existence d’un point froid.

Les données de la mission nominale de Planck font l’objet d’une trentaine de publications simultanées disponibles le 21 mars 2013 sur http://sci.esa.int, puis le 22 mars 2013 sur www.arxiv.org.

Parmi ces autres résultats :

  • 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, à partir du seul rayonnement fossile, 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 %).
  • Des cartes inédites précieuses pour affiner le scénario de l’histoire de l’Univers et comprendre la physique qui régit son évolution : elles permettent de montrer comment se répartissent la matière noire et la matière ordinaire sur la voûte céleste ; le « fonds diffus infrarouge » correspond quant à lui à la lumière émise par les poussières de toutes les galaxies au cours des dix derniers milliards d’années et permet donc d’identifier les zones où se sont concentrés les objets constitués de matière ordinaire.
  • Une première analyse de la polarisation du signal cosmologique, qui montre que les données de Planck sont remarquablement cohérentes avec celles sur l’intensité du rayonnement fossile aux échelles correspondantes aux futurs amas de galaxies ; une analyse plus complète sera fournie en 2014, ainsi que d’autres résultats de la mission Planck.

La contribution de la recherche française dans la mission Planck

La France est leader de l’instrument haute fréquence Planck-HFI, essentiel pour les résultats cosmologiques : sa construction a coûté 140 millions d’euros et mobilisé 80 chercheurs de dix laboratoires du CNRS, du CEA et d’universités. La France a assuré plus de 50% du financement de cette construction ainsi que celui du traitement de ses données : ce financement provient pour moitié du CNES, pour moitié du CNRS et des universités. Elle contribue également au financement de la mission elle-même via sa contribution financière au programme scientifique de l’ESA, soit 15% du coût de la mission.

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Le plan focal FPU/HFI en configuration d’étalonnage à l’IAS/Orsay
© CNES - CNRS

Une contribution française essentielle au projet Planck a été la fourniture du système de refroidissement à 0.1 degrés au-dessus du zéro absolu de l’instrument HFI. Ce système, qui a fait l’objet d’un brevet CNES, a été inventé par Alain Benoît (CNRS), de l’Institut Néel (ce qui lui a valu la médaille de l’innovation 2012 du CNRS) et développé par la société Air Liquide. Grâce à cette innovation, la caméra HFI détient le record de froid pour un instrument spatial, avec un cryostat refroidi pendant près de mille jours à -273,05°C.

Planck, c’est 500 milliards de données brutes à transférer du satellite vers la Terre et à analyser pour construire un ensemble de cartes de 50 millions de pixels chacune afin d’extraire environ 20 paramètres cosmologiques fondamentaux. François-Xavier Désert, Nicolas Ponthieu et Pierre Hily-Blant, chercheurs de l’IPAG ont travaillé sur l’étalonnage du satellite et participent à l’analyse des données de cette mission.

Voir la liste des laboratoires français impliqués dans la mission

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