LE SON COSMIQUE

Illustration audio du traitement de données CMB de Planck et des cartes WMAP

francais English Version

Voici deux manières d'illustrer le rayonnement cosmologique fossile (CMB) avec des sons plutôt que des images.
Tout d'abord on peut utiliser des sons pour comprendre le traitement de données de Planck.
Ensuite, on peut "écouter" la carte de WMAP.

1. Sons à partir des données temporelles de Planck

Les étapes du traitement des données Planck peuvent être illustrées de la manière auditive suivante. 
Alors que nous attendons les vraies données du satellite (lancé en avril 2009), voici une simulation réaliste par ordinateur.

La sortie numérique du détecteur en fonction du temps s'appelle une TOI (time-ordered information). 

Puisque le satellite Planck tourne autour de lui-même à raison d'un tour par minute, le faisceau observé balaye le ciel et lit la position pointée toutes les 5 millisecondes. 

Nous pouvons transformer le signal en son. La fondamentale du signal du ciel est cependant inaudible (un infrason de 17 milliHz). Nous avons donc décidé ici de changer l'échelle des fréquences par un facteur multiplicatif donné (20000) et ainsi nous pouvons clairement entendre maintenant la fondamentale à 333 Hz. Deux jours de données d'un détecteur se trouvent comprimés en un son de huit secondes seulement. 


Le signal-son que nous obtenons de la télémétrie, provenant de l'antenne du satellite (distant de 1,5 million de km de la Terre) semble être  incompréhensible.

Le signal brut après application d'une démodulation, sonne ainsi : au moins peut-on entendre la fondamentale mais aussi une kyrielle d'autres  choses, un peu comme un vieux microsillon rayé (pour les jeunes, un disque
33-tours d'avant les CDs). Dans le centre de réduction de données (DPC), les données sont traitées de facon à pouvoir "écouter" la première image émise par l'Univers, quelques 380 000 ans après le Big Bang. Le son clair doit ressembler à quelque chose comme ceci. La réduction inclut la soustraction des pics de bruit (provenant de l'impact de rayons cosmiques sur le détecteur à intervalles aléatoires) et du bruit (par moyennage).

Les données sont étalonnées en unités de température en utilisant le signal en forme de dipole qui est produit par notre déplacement particulier au travers de l'Univers (un simple effet Doppler comme le son d'une ambulance qui se rapproche puis s'éloigne). Cela s'entend comme un son sinusoïdal parfait (comme le son d'une flûte) à la fréquence fondamentale.

L'émission de notre galaxie (la Voie Lactée) se voit comme une bande large rouge dans la figure ci-dessus. Ce son doit être enlevé d'une certaine facon afin d'écouter le Big Bang. D'un autre point de vue, il est très utile pour localiser les régions dans notre galaxie où de nouvelles étoiles sont juste en train de naître.


2. Ecouter la carte WMAP

La meilleure carte du rayonnement fossile (CMB) a jusqu'à présent été obtenue grâce à la mission WMAP.WMAP 5-years ILC
Cette carte de l'ensemble du ciel (projection de la sphère céleste) peut se décomposer en modes correspondant aux  différentes échelles angulaires. Le premier mode est un peu spécial (calibrateur) a été oté de cette carte.







Le second mode et les autres peuvent être obtenus par une transformation en harmoniques sphériques. Voici quelques exemples (l=2, 5, & 10).
Wmap mode 2Wmap mode 5Wmap mode 10

Ce film montre les premiers modes de la carte WMAP (version flash ici)

Maintenant voici le son: faisons osciller chaque mode avec une fréquence proportionnelle à son multipole (l).  Ici, prenons 1Hz pour l=40.
Les oscillations ressemblent à ceci: ce film (ou  sa version flash)

Si maintenant nous acroissons la proportionalité à  400 Hz pour
l=40, nous pouvons
"écouter" à un certain endroit de cette carte oscillante, qui ressemble à un "tambour cosmique"
Dans ce son, l'endroit d'écoute est changé toutes les 3 secondes.

NB1: Bien que l'univers a effectivement oscillé pendant la phase chaude de son début au sens acoustique, les modes à grande échelle n'ont pas eu le temps de couvrir une période entière avant que cette "photo" (CMB) ne soit prise (380.000 ans après le Big Bang). Ainsi les vraies oscillations n'ont pris place que pour les multipoles supérieurs au premier pic acoustique  (l=220, ici à 2200 Hz) avant que l'univers ne devienne transparent.

NB2: Aucun son ne peut se propager dans l'univers transparent. Ici, nous ne travailllons que par analogie avec un tambour et prêtons l'oreille à la surface du tambour.

v1.0 October 2008
v1.1 Dec 2008 (French version added)
v2.0 Feb 2009: now includes the cosmic drum sounds that would reflect the so-called "acoustic peaks" in a loose sense.
       Healpix software and the Planck-HFI computers are acknowledged.
v2.1 To be done: Improve the films
v3.0 To be done: Show the different sounds produced by Universes with a different cosmology

Auteur: F.-Xavier Désert, LAOG


Original idea is from A. Riazuelo et al.
Image Credits: ESAand WMAP