La cosmologie a fait la une des médias en mars 2014 lorsqu’une équipe d’astronomes de la collaboration BICEP2 a annoncé la détection (indirecte) d’ondes gravitationnelles lors d’observations du rayonnement fossile. Cette découverte était d’autant plus significative qu’elle semblait confirmer l’une des idées les plus exotiques de la cosmologie : l’inflation.

Le rayonnement fossile

Le rayonnement fossile, aussi appelé le fond diffus cosmologique, est une lumière émise dans l’Univers primordial à peine 380.000 ans après le Big Bang. A cette époque, du fait de l’expansion, la température de l’Univers avait suffisamment chuté pour que protons et électrons puissent se combiner pour former des atomes. Les photons, qui interagissaient auparavant avec protons et électrons libres, pouvaient enfin se propager sans obstacle et donc d’illuminer l’Univers.

A cette époque, la température moyenne de l’Univers était d’environ 3000 degrés. L’expansion a depuis refroidi le rayonnement par un facteur mille et a donc aussi changé sa longueur d’onde. La température du fond diffus est de nos jours de 2.73 degrés au-dessus du zéro absolu, soit environ -270 degrés Celsius. Il est détectable dans le domaine des micro-ondes avec un maximum d’intensité à une longueur d’onde de 1,9 millimètres (soit 160.2 GHz). C’est dans ce domaine que deux physiciens l’ont découvert par accident en 1965 en voulant étudier les émissions de la Voie Lactée.

La station antarctique Amundsen-Scott
La station antarctique Amundsen-Scott photographiée en 2009. On aperçoit complètement à droite le South Pole Telescope et le bâtiment qui allait abriter l’expérience BICEP2. Crédit : Henry Malmgren/United States Antarctic Program

Les ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles sont une des prédictions de la relativité générale d’Albert Einstein. Rappelons que dans cette théorie la gravité n’est pas une force classique, mais une conséquence de la courbure de l’espace-temps, un concept introduit par Einstein pour exprimer le fait que l’espace et le temps ne sont pas des entités indépendantes comme on l’a longtemps cru. Une onde gravitationnelle est tout simplement une fluctuation de la courbure de l’espace-temps qui se propage à la vitesse de la lumière comme le ferait une onde électromagnétique.

Les ondes gravitationnelles sont produites par des corps en accélération, par exemple deux étoiles en orbite mutuelle. C’est d’ailleurs un couple formé de deux étoiles à neutrons découvert en 1974 qui a fourni la première preuve indirecte de l’existence des ondes gravitationnelles. Mais les ondes gravitationnelles primordiales en question dans cette étude ont une origine beaucoup plus ancienne puisqu’elles dateraient d’une période très reculée qui a suivi le Big Bang : l’ère inflationnaire.

L’ère inflationnaire

L’ère inflationnaire, ou simplement l’inflation, est une période hypothétique qui se serait étalée entre environ 10-35 et 10-32 seconde après le Big Bang. Elle se caractérise par une expansion exponentielle de l’Univers, considérablement plus rapide que l’expansion mesurée actuellement. En fait, tout l’Univers observable, c’est-à-dire la partie de l’Univers que nous pouvons observer aujourd’hui, aurait été contenu dans un volume infiniment plus petit que celui d’un proton avant l’ère inflationnaire.

Le concept d’inflation a été introduit dans les années 1980 pour apporter une explication à quelques observations cosmologiques intrigantes. Par exemple, le rayonnement fossile est très homogène : sa température est pratiquement la même dans toutes les directions du ciel. Mais deux régions opposées du ciel, aux limites de l’Univers observable, n’ont jamais été en contact par le passé puisque leur rayonnement vient juste de nous atteindre. Comment ces régions opposées ont-elles pu homogénéiser leur température ? L’inflation offre une explication simple : ces régions distantes ont la même température car elles étaient très proches avant l’inflation et c’est cette dernière qui les a ensuite violemment séparées.

L’inflation serait aussi à l’origine de la structure actuelle de l’Univers. L’expansion extraordinaire provoquée par inflation aurait transféré les fluctuations quantiques qui existent dans le monde microscopique vers l’échelle macroscopique. Ces perturbations auraient ensuite été le point de départ de la formation des galaxies et des amas de galaxies.

Comme l’inflation s’est produite à une époque très reculée, il n’y a jusqu’à présent aucune preuve de sa réalité, d’où l’excitation de la communauté scientifique lors de l’annonce par la collaboration BICEP2.

La polarisation du rayonnement fossile

Deux types de perturbations doivent être détectables par des observations du rayonnement fossile : d’abord des fluctuations de la densité d’énergie et de matière, ensuite des ondes gravitationnelles. Le premier type de fluctuations se révèle sous la forme de minuscules variations dans le rayonnement fossile lorsque l’on mesure sa température dans des directions différentes. Ces fluctuations ont déjà été mesurées par les célèbres satellites COBE en 1992, WMAP en 2003 et Planck en 2013.

Détecter l’effet des ondes gravitationnelles est plus difficile car il faut mesurer la polarisation du rayonnement. La polarisation d’une onde électromagnétique décrit l’orientation du champ électrique ou magnétique dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation. Le rayonnement fossile doit se décomposer en deux types de polarisation, le mode E et le mode B, qui se distinguent par la distribution spatiale de la polarisation, c’est-à-dire la façon dont la polarisation change lorsque l’on observe des directions différentes du ciel.

Crucialement, les fluctuations de densité ne produisent que le mode E, alors que les ondes gravitationnelles produisent le mode E et le mode B. L’étude de la polarisation du mode B est donc un moyen d’étudier indirectement les ondes gravitationnelles primordiales et, encore plus indirectement, l’inflation qui leur aurait donné naissance.

La polarisation en mode B du rayonnement fossile
La polarisation en mode B du rayonnement fossile mesurée par la collaboration BICEP2. Les lignes noires indiquent la direction et l’intensité de la polarisation. La couleur indique le degré de torsion de la polarisation. Crédit : BICEP2 Collaboration

L’expérience BICEP2

L’expérience BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) avait pour mission de mesurer la polarisation du rayonnement fossile dans une petite fraction du ciel. Elle a utilisé pour cela un télescope de 26 centimètres de diamètre près du pôle Sud dans la station antarctique Amundsen-Scott. Ces observations se sont déroulées sur trois saisons, entre 2010 et 2012, avec un ensemble de 512 détecteurs dans le domaine micro-onde.

En plus des difficultés pratiques liées à un endroit inaccessible comme le pôle Sud, les astronomes de BICEP2 étaient en face d’un défi majeur : le rayonnement mesuré par l’instrument n’est pas uniquement dû au rayonnement fossile. Il est donc d’abord nécessaire de soustraire tous les rayonnements parasites, mais aussi de corriger les effets qui pourraient perturber le rayonnement fossile après sa création (par exemple les effets de lentille gravitationnelle).

Le principal élément qui faisait planer le doute sur les résultats provient d’une source plus proche : la Voie Lactée. En effet, les poussières interstellaires qui parsèment notre galaxie émettent un rayonnement dans les domaines infra-rouge et micro-onde. Ce rayonnement est polarisé car les grains de poussières sont généralement asymétriques. De plus, les poussières interstellaires ont tendance à s’aligner avec le champ magnétique galactique local et vont donc produire collectivement un rayonnement non négligeable. Le rayonnement fossile, qui doit traverser les poussières de la Voie Lactée pour nous atteindre, se retrouve ainsi mélangé avec un autre type d’émission également dominé par une polarisation de mode B.

L’équipe du projet BICEP2 essaya de prendre en compte cet effet en utilisant en particulier des extrapolations de résultats préliminaires du satellite Planck. Mais depuis l’annonce initiale le doute s’était installé sur la validité de ces calculs. La version finale de l’article dans Physical Review Letters affirmait ainsi qu’il n’y avait pas suffisamment de données disponibles pour exclure la possibilité que le signal détecté soit dû aux poussières interstellaires.

L’instrument BICEP2
L’instrument BICEP2 entouré de sa protection au premier plan, le South Pole Telescope de dix mètres de diamètre à l’arrière-plan et un magnifique coucher de Soleil au pôle Sud. Crédit : Steffen Richter/Harvard University

La mission Planck

La communauté scientifique attendait donc avec impatience les résultats officiels de la mission Planck sur la polarisation du rayonnement fossile. Malheureusement, comme l’on s’y attendait, les mesures de Planck montrèrent que la polarisation observée par le projet BICEP2 pouvait être complètement expliquée par l’émission des poussières interstellaires de la Voie Lactée et qu’aucune conclusion d’ordre cosmologique n’était possible.

Notons néanmoins que les mesures sont tout à fait conformes à la plupart des modèles d’inflation et une détection cosmologique future par des observations plus poussées n’est pas exclue.

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