Planck établit une nouvelle carte du rayonnement fossile

Planck et le rayonnement fossile

L’Agence Spatiale Européenne vient de publier les premiers résultats de la mission Planck. Lancé en 2009, le satellite Planck observe le ciel dans le domaine des micro-ondes. Son objectif est d’analyser le rayonnement fossile, une relique de l’Univers primordial. Ce rayonnement est né 380.000 ans après le Big Bang, lors de la formation des premiers atomes, lorsque la température de l’Univers était d’environ 3000 degrés. Après plus de 13 milliards d’années d’expansion, sa température est tombée à 2,73 degrés au-dessus du zéro absolu (soit environ -270 degrés Celsius) et son émission est par conséquent maximale dans le domaine micro-onde.

Le rayonnement fossile est d’une extrême uniformité : sa température est la même dans toutes les directions du ciel. Cependant, si on l’observe avec une précision de l’ordre du cent-millième, on commence à apercevoir d’infimes variations de la température selon la direction du ciel par rapport à la valeur moyenne. Ce sont ces fluctuations, appelées l’anisotropie du rayonnement fossile, que Planck a pour mission d’analyser. Deux observatoires spatiaux de la NASA, COBE en 1989 et WMAP en 2001, ont déjà étudié ces variations, mais Planck apporte une meilleure résolution angulaire, une meilleure sensibilité et une plus grande gamme de fréquence.

Le rayonnement fossile par Planck

Les infimes fluctuations de la température du rayonnement fossile observées par le satellite Planck de l’Agence Spatiale Européenne. Les zones bleues sont légèrement plus froides que la moyenne et indiquent des régions plus denses qui formeront plus tard les structures que nous observons aujourd’hui dans l’Univers : amas de galaxies, galaxies et étoiles. Crédit : ESA/Planck Collaboration

Les mesures plus précises de Planck

Les résultats qui viennent d’être publiés apportent donc des mesures plus précises de certains paramètres cosmologiques. L’âge de l’Univers est revu à la hausse de 80 millions d’années, il est maintenant estimé à 13.82 milliards d’années. Le taux d’expansion de l’Univers, mesuré par la constante de Hubble, est revu à la baisse, la valeur de la constante tombe à 67.15 kilomètres par seconde et par mégaparsec (le mégaparsec est égal à 3.26 millions d’années-lumière) au lieu de la valeur de 71 mesurée par WMAP. Le rapport entre les différentes formes de matière et d’énergie de l’Univers est également calculé plus précisément, avec dorénavant 4,9 pour cent de matière ordinaire, 26,8 pour cent de matière noire et 68,3 pour cent d’énergie noire (les anciennes estimations étaient respectivement de 4,5, 22,7 et 72,8).

Planck confirme également deux anomalies qui n’ont pas encore d’explication. D’abord, le rayonnement n’est pas parfaitement uniforme à grande échelle, c’est-à-dire qu’on observe une légère asymétrie de la température moyenne dans des directions opposées du ciel, une sorte de direction privilégiée de l’expansion que les modèles cosmologiques standards ne peuvent pas expliquer. Ensuite, Planck confirme l’existence d’un point froid, une zone assez grande de température légèrement plus faible que la moyenne qui ne peut pas être expliquée comme une simple fluctuation statistique. Ces deux anomalies avaient déjà été suggérées par la mission WMAP, mais on les attribuait à des variations statistiques plutôt qu’à un phénomène réel. Leur existence et leur nature cosmologique sont maintenant bien établies et restent donc à expliquer.

L’expansion de l’Univers il y a onze milliards d’années

Les scientifiques de l’expérience BOSS viennent d’annoncer la première mesure de la vitesse d’expansion de l’Univers à une époque où l’énergie noire n’avait pas encore d’influence majeure et l’expansion ralentissait sous l’effet de la gravité.

Le relevé BOSS

Le relevé cartographique BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) est l’un des quatre projets du programme SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey), dont les observations sont effectuées au télescope de 2.5 mètres de l’observatoire d’Apache Point au Nouveau Mexique. Son objectif est de mesurer la trace des oscillations acoustiques baryoniques de l’Univers primordial, par l’observation de galaxies lointaines et de quasars.

Les oscillations acoustiques baryoniques sont des sortes d’ondes sonores qui se propageaient lors des premières centaines de milliers d’années de l’Univers, lorsque celui-ci était encore un mélange de protons, de neutrons et de photons en interaction (voir le relevé BOSS pour plus de détails). Ces oscillations ont laissé une trace caractéristique dans la structure à grande échelle de l’Univers, que l’on peut étudier en faisant un relevé de la distribution des amas de galaxies.

L’analyse des quasars

En avril 2012, l’équipe du relevé BOSS avait présenté des résultats obtenus sur des galaxies lointaines, qui nous permettaient d’observer la trace des oscillations jusqu’à une époque il y a environ 5,5 milliards d’années (plus les galaxies étudiées sont lointaines, plus l’époque que nous observons est reculée). Mais la technique utilisée alors ne pouvait guère aller plus loin, car, à cette distance, la luminosité apparente des galaxies devient trop faible pour des mesures précises.

Le résultat annoncé cette semaine s’est donc appuyé sur une technique nouvelle pour observer la structure de l’Univers à des distances supérieures. Le télescope de l’observatoire d’Apache Point a observé le spectre de 48.000 quasars, un type de galaxies très lumineuses qui peut être observé à des distances beaucoup plus grandes et dont le spectre fournit une mine d’informations.

Avant d’atteindre la Terre, la lumière d’un quasar doit traverser tous les nuages d’hydrogène intergalactique qui se trouvent sur son chemin. Ces nuages absorbent une partie de la lumière du quasar et créent des raies d’absorption dans son spectre. Ces nuages se répartissent sur une gamme de distance entre la Terre et le quasar et sont donc affectés par des décalages vers le rouge différents. La longueur d’onde apparente de leurs raies d’absorption est par conséquent variable et le spectre des quasars contient ainsi un enchevêtrement de raies appelé une forêt Lyman-alpha.

L’Univers il y a 11 milliards d’années

L’analyse des raies d’absorption d’un quasar nous permet donc de déterminer la distribution de matière sur sa ligne de visée. En étudiant un grand nombre de quasars, on peut par conséquent construire une carte de la structure de l’Univers sur des distances très vastes.

L'expansion de l'Univers

La variation de la vitesse d’expansion de l’Univers en fonction du temps avec d’abord une phase de décélération puis une phase d’accélération qui se met en place il y a environ sept milliards d’années. Le point rouge indique le résultat qui vient d’être publié. Crédit : Zosia Rostomian, LBNL, Nic Ross, BOSS Lyman-alpha team, LBNL

En utilisant cette technique, les scientifiques de la collaboration BOSS ont pu mesurer l’échelle des oscillations acoustiques baryoniques il y a 11 milliards d’années et en déduire la vitesse d’expansion de l’Univers à cette époque : 224 kilomètres par seconde par mégaparsec (le mégaparsec est égal à 3.26 millions d’années-lumière), à comparer à la valeur actuelle de 72 kilomètres par seconde par mégaparsec (ce qui signifie qu’un bout d’espace d’un mégaparsec de long s’étend actuellement de 72 kilomètres à chaque seconde).

Le résultat n’est pas inattendu. Les modèles actuels montrent qu’à cette époque reculée la vitesse d’expansion ralentissait sous l’effet de l’attraction gravitationnelle entre les galaxies. Ce n’est qu’il y a environ sept milliards d’années que la mystérieuse énergie noire a pris le dessus sur cette attraction et cause depuis lors une accélération de l’expansion de l’Univers. Ce type d’étude va nous permettre de raffiner nos modèles et de mieux comprendre la transition entre les phases de décélération et d’accélération de l’Univers sous l’effet de l’énergie noire.

Première observation directe de galaxies noires

Les galaxies noires

Les galaxies noires sont des corps dont l’existence a été proposée dans le cadre des théories sur la formation et l’évolution des galaxies. Il s’agit de petites galaxies riches en gaz, mais contenant très peu d’étoiles, qui ont dû apparaître pendant les premiers milliards d’années de l’Univers. Elles sont considérées comme les éléments de base qui ont formé les galaxies actuelles, riches en étoiles et beaucoup plus grandes.

Les galaxies noires avaient du mal à produire des étoiles car elles étaient principalement constituées d’hydrogène et d’hélium, les deux seuls éléments créés en quantités significatives pendant la phase de nucléosynthèse primordiale du Big Bang. Il leur manquait donc les éléments plus lourds qui sont créés par la nucléosynthèse stellaire, des éléments lourds qui favorisent de nos jours la formation de nouvelles générations d’étoiles.

Galaxies noires

Le quasar HE 0109-3518, entouré d’un cercle rouge, et les douze galaxies noires détectées par le VLT, indiquées en bleu. L’image est une combinaison des observations du VLT avec des données du relevé Digitized Sky Survey 2. Crédit : ESO, Digitized Sky Survey 2, S. Cantalupo (UCSC)

La détection des galaxies noires

Ces galaxies contiennent très peu d’étoiles et n’émettent donc guère de lumière, raison pour laquelle il a fallu attendre si longtemps pour pouvoir confirmer leur existence. Plusieurs techniques de détection ont été utilisées par le passé, en particulier l’analyse du spectre d’objets plus lointains, par exemple les quasars, qui devrait révéler une légère absorption due aux galaxies noires présentes entre le quasar et nous. Ces observations sont néanmoins très difficiles et n’ont pas produit de résultats conclusifs.

L’étude qui vient d’être publié par l’ESO est issue d’une nouvelle technique. Elle consiste à observer une région de l’espace entourant un quasar en espérant que quelques galaxies noires se trouvent à proximité. Rappelons qu’un quasar est une galaxie très brillante dont l’énergie provient d’un trou noir supermassif central. Comme le quasar est extrêmement lumineux, il va inonder les galaxies noires environnantes de son rayonnement ultraviolet. Les atomes d’hydrogène de la galaxie absorbent cette énergie puis la libèrent en réémettant de la lumière, un phénomène bien connu puisqu’il s’agit de la fluorescence.

Cette lumière réémise par fluorescence devrait en principe être détectable par nos télescopes. Du fait de l’expansion de l’Univers, elle est un peu décalée en longueur d’onde avant d’atteindre la Terre et nous arrive dans la partie violette du domaine visible. Comme nous parlons de corps qui se trouvent à des milliards d’années-lumière, ce rayonnement est évidemment très faible et il faut de longues poses sur de grands télescopes pour espérer le détecter.

Autour du quasar HE 0109-3518

Le résultat de l’ESO provient de l’observation du quasar HE 0109-3518 par le VLT au Chili. La lumière du quasar a été émise il y a 11 milliards d’années, donc à peine trois milliards d’années après le Big Bang. Les longues poses du VLT ont réussi à mettre en évidence une centaine de corps sombres dans une région d’une dizaine de millions d’années-lumière autour du quasar.

Pour éliminer les galaxies plus classiques, dont la lumière serait d’origine stellaire, les chercheurs n’ont retenu que les corps qui présentaient une raie spectrale nette à la longueur d’onde attendue. Il reste alors douze candidates au titre de galaxie noire. Leur masse typique est d’environ un milliard de masses solaires et leur taux de création d’étoiles cent fois inférieur aux galaxies plus ordinaires de la même époque, comme le prévoyait la théorie.

Les observations dans ce domaine assez nouveau vont continuer et bénéficier en particulier d’un nouveau spectrographe appelé MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) qui sera installé sous peu au VLT.

Une particule compatible avec le boson de Higgs

Le boson de Higgs

Le CERN vient d’annoncer, lors de la 36e conférence internationale sur la physique des hautes énergies à Melbourne, la découverte d’une particule dont le profil suggère qu’il s’agit du fameux boson de Higgs. Pour une introduction à l’importance de cette particule, le rôle du LHC (Large Hadron Collider), la signification statistique des résultats et l’unité de masse utilisée, voir l’article sur la conférence de presse de décembre 2011 : des indices de l’existence du boson de Higgs au LHC.

CMS

Représentation d’une collision de protons qui engendre la création d’une multitude de particules (en jaune), en particulier un boson de Higgs qui se désintègre en produisant deux photons (en rouge) que le calorimètre électromagnétique de l’expérience CMS peut détecter. Crédit : CMS Collaboration/CERN

Rappelons que deux expériences indépendantes du LHC sont à la recherche du fameux boson : CMS (Compact Muon Solenoid) et ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus). Dans les résultats annoncés aujourd’hui, la collaboration CMS observe une particule d’une masse d’environ 125 GeV avec une signifiance statistique de 5 sigma. L’expérience ATLAS observe quant à elle une particule d’une masse d’environ 126 GeV avec également une signifiance statistique de 5 sigma. Comme la valeur de 5 sigma est justement le seuil traditionnel pour parler d’une découverte, le CERN a donc officiellement annoncé la découverte d’une nouvelle particule.

Une nouvelle période de recherche

S’agit-il du boson de Higgs proposé de façon indépendante par plusieurs physiciens dans les années 60 ? Les propriétés de la particule découverte aujourd’hui sont compatibles avec le boson de Higgs proposé dans le modèle standard de la physique des particules, mais il est trop tôt pour déclarer qu’il s’agit bien de cette particule. Remarquons aussi qu’en réalité de nombreuses théories ont été proposées, qui font appel à un ou plusieurs bosons de Higgs, par exemple dans les modèles de supersymétrie, et il est trop tôt pour départager ces théories.

En fait, c’est une nouvelle période de recherche qui s’ouvre, dont le but va être d’étudier plus précisément les propriétés de cette particule, en particulier son taux de désintégration dans différents modes et son spin. Le spin est une propriété fondamentale des particules élémentaires qui, en simplifiant beaucoup, peut être imaginée comme mesurant la rotation d’une particule sur elle-même. S’il s’agit bien du boson de Higgs, son spin devrait être nul. Lorsque ces propriétés seront mieux connues, l’une des théories actuelles sera confirmée ou peut-être faudra-t-il en créer une nouvelle ?

Un relevé cartographique pour étudier l’énergie noire

Les premiers résultats du relevé cartographique BOSS, dont l’un des buts est de mieux comprendre l’évolution de l’Univers et les propriétés de l’énergie noire, viennent d’être présentés.

Rappelons que la plus importante découverte récente en cosmologie est l’accélération de l’expansion de l’Univers. D’après l’explication la plus commune, cette accélération serait due à une propriété fondamentale de l’espace appelée l’énergie noire qui s’exprime sous la forme d’une force de répulsion. Mais d’autres explications possibles ont été avancées, en particulier la possibilité que la relativité générale d’Einstein ne soit pas correcte et que la force de gravité soit répulsive à grande échelle.

Les oscillations acoustiques baryoniques

Pendant quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang, l’Univers était rempli d’un plasma de baryons (protons et neutrons) et de photons qui étaient en interaction permanente. L’Univers était très uniforme, mais contenait de minuscules variations de densité. La gravité invitait les zones de plus forte densité à grandir en accumulant plus de matière, mais l’énergie des interactions baryons-photons créait une pression qui s’opposait à l’influence de la gravité.

La lutte entre la gravité et la pression provoquait des oscillations dans le plasma, donc des ondes acoustiques similaires à des ondes sonores, qui se propageaient à un peu plus de la moitié de la vitesse de la lumière. On les appelle les oscillations acoustiques baryoniques (baryon acoustic oscillations ou BAO en anglais).

Les variations de densité primordiales sont visibles dans les images du rayonnement fossile qui date de 380.000 ans après le Big Bang. Après le découplage rayonnement-matière, les ondes acoustiques se turent, mais les variations de densité donnèrent naissance à la structure à grande échelle de l’Univers, avec ses filaments et ses murs formés d’amas de galaxies et séparés par d’énormes vides.

Les oscillations acoustiques baryoniques ont laissé une trace dans cette structure à grande échelle. Lorsque l’on analyse la distribution d’un grand nombre de galaxies et que l’on trace un graphe de la distance moyenne entre les galaxies, on aperçoit un maximum de probabilité autour de 500 millions d’années-lumière. Deux galaxies prises au hasard ont donc plus de chances d’être séparées de 500 millions d’années-lumière que de 400 ou de 600 millions par exemple.

Cette propriété des galaxies est un résultat direct de la présence des oscillations acoustiques baryoniques après le Big Bang et la valeur du maximum est fonction de la quantité d’énergie noire présente dans l’Univers, d’où l’intérêt de l’étudier. Mais pour pouvoir déterminer avec précision la valeur du pic de séparation, il faut analyser un grand nombre de galaxies et mesurer leur distance avec précision.

Le relevé cartographique BOSS

Le relevé cartographique BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) est l’un des quatre projets du programme SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey). Le but est de prendre le spectre d’un million de galaxies sur une période de six ans et de construite la carte la plus précise de l’Univers.

Le programme SDSS-III est en opération au télescope de 2.5 mètres de l’observatoire d’Apache Point au Nouveau Mexique. Le télescope contient deux éléments : une caméra qui permet de sélectionner des cibles et un spectrographe qui permet d’analyser le spectre d’un millier de cibles en une seule observation, une performance qui lui permettra d’atteindre le million de galaxies sur six ans.

Les résultats annoncés récemment proviennent d’une année et demie d’observations de 250.000 galaxies. Elles ont permis de créer une carte de l’Univers qui contient des galaxies si lointaines que nous pouvons observer la structure à grande échelle il y a six milliards d’années. Cette période est cruciale car elle marque le moment où l’énergie noire est devenue le facteur le plus déterminant de l’expansion. Ces observations confirment la présence d’un pic de séparation avec une précision inégalée et permettent de raffiner notre compréhension des différents composants de l’Univers.

Illustration SDSS-III

L’échelle des oscillations acoustiques baryoniques représentée par un cercle blanc à différentes époques : il y a 3,8 milliards d’années, il y a 5,5 milliards d’années et il y a 13,7 milliards d’années (dans le rayonnement fossile). Crédit : E.M. Huff, SDSS-III, South Pole Telescope, Z. Rostomian

Les distorsions spatiales du décalage vers le rouge

Les relevés cartographiques permettent d’étudier l’Univers et l’énergie noire d’une deuxième manière : par l’étude des distorsions spatiales du décalage vers le rouge (redshift space distortions ou RDS en anglais).

Les astronomes déterminent la distance des galaxies lointaines en mesurant le décalage vers le rouge de leur spectre et en appliquant la loi de Hubble qui relie distance et vitesse. Les mesures de distance sont donc avant tout des mesures de vitesse. Ceci a un effet un peu subtil lorsque l’on observe les galaxies d’un amas, car la vitesse d’une galaxie à deux éléments : sa vitesse due à l’expansion pure et sa vitesse locale qui représente une chute vers le centre de l’amas.

Si l’on observe une galaxie qui se trouve entre un amas et nous, sa vitesse sera supérieure à la vitesse d’expansion pure à cause de la chute vers le centre de l’amas et la galaxie semblera plus éloignée qu’en réalité. Si l’on observe une galaxie de l’autre côté de l’amas, sa vitesse sera plus faible que la vitesse d’expansion pure et la galaxie apparaîtra plus proche. L’effet global est donc de donner une apparence plus compacte aux amas de galaxies.

Comme la vitesse à laquelle les galaxies doivent tomber vers le centre d’un amas peut être calculée par la relativité générale, des observations précises de la distribution des galaxies constituent un excellent test de cette théorie et de notre compréhension de l’Univers.

L’analyse des 250.000 premières galaxies du relevé BOSS montre un accord excellent entre les observations et les prédictions de la relativité générale prenant en compte la présence d’énergie noire. La relativité générale est donc validée pour la première fois jusqu’à une distance de cent millions d’années-lumière. L’existence de l’énergie noire comme propriété fondamentale de l’espace (plutôt que composée de particules inconnues) est aussi confirmée par ces observations.

Le relevé cartographique BOSS apporte donc déjà des réponses aux questions les plus fondamentales de la cosmologie. Avec l’accumulation de plus de données dans les années qui viennent, ces observations nous permettront de mieux comprendre les propriétés de l’énergie noire et peut-être même de déterminer sa nature.