Rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence détecté par Planck

Planck révèle un Univers presque parfait

21 mars 2013

Le télescope spatial Planck de l'Agence spatiale européenne est à l’origine des données qui permettent aujourd’hui la diffusion de la carte la plus détaillée encore jamais établie du rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence – le rayonnement fossile du Big Bang. Cette carte met en évidence des caractéristiques cosmiques remarquables qui bousculent les fondements de nos connaissances actuelles sur l’Univers.

Cette image est basée sur les données des 15 premiers mois de fonctionnement de Planck. C’est la première image de cette mission qui montre sur l’ensemble du ciel la plus ancienne des émissions de lumière, qui a baigné notre jeune Univers quand il n’avait que 380 000 ans.

L’Univers était alors rempli d’un magma brûlant de protons, d’électrons et de photons s’entremêlant à quelque 2700ºC. L’interaction entre protons et électrons qui a donné naissance aux atomes d’hydrogène a ensuite libéré la lumière. A la faveur de l’expansion de l’Univers, cette lumière a été étirée jusqu’à atteindre aujourd’hui des longueurs d’ondes hyperfréquences qui équivalent à une température de juste 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu.

Ce rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence – CMB – présente d’infimes fluctuations de température qui correspondent à des régions de densité légèrement différente aux époques proches de l’origine et portent en elles le germe de toutes les structures futures, ces étoiles et galaxies que nous connaissons aujourd’hui.

Selon le modèle cosmologique standard, ces fluctuations se sont produites immédiatement après le Big Bang et ont été étirées sur de grandes échelles cosmologiques au cours d’une brève période d’expansion accélérée dite inflation.

Planck a été conçu pour cartographier ces fluctuations sur l’intégralité du ciel avec une résolution et une sensibilité encore jamais atteintes. En analysant la nature et la répartition des germes de structures sur l’image du CMB obtenue grâce à Planck, nous pouvons déterminer la composition et l’évolution de l’Univers de sa naissance jusqu’au jour d’aujourd’hui.

Planck’s anomalous sky

De façon générale, les informations extraites de la nouvelle carte de Planck confirment de façon éclatante et avec une précision inégalée le modèle cosmologique standard et constitueront une nouvelle référence pour notre inventaire du contenu de l’Univers. 

Mais la carte de Planck est si précise qu’elle fait également apparaître certaines caractéristiques énigmatiques qui ne pourront être expliquées que par de nouvelles avancées théoriques.

“La qualité extraordinaire du tableau de l’Univers juvénile que nous brosse Planck nous permet de mettre à nu jusqu’à ses fondements sous les différentes strates du temps et met en évidence que notre représentation du cosmos est loin d’être complète. Et c’est l'industrie européenne qui a rendu ces découvertes possibles en développant à cet effet des technologies sans équivalent,” déclare Jean-Jacques Dordain, Directeur général de l’ESA.

“Depuis la diffusion en 2010 du premier relevé de l’ensemble du ciel acquis par Planck, nous avons soigneusement extrait et analysé toutes les émissions lumineuses d’avant-plan qui se situent entre nous et la lumière originelle émise par l’Univers, ce qui nous a permis de faire apparaître le rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence avec une précision encore jamais atteinte,” ajoute George Efstathiou de l’Université de Cambridge (Royaume-Uni).

L’une des constatations les plus surprenantes est que sur de grandes échelles angulaires, les fluctuations des températures du CMB ne correspondent pas à celles que prévoit le modèle standard – leur signal n’est pas aussi fort que le laisserait prévoir la structure à plus petite échelle que Planck a mise en évidence.

Asymmetry and cold spot

Une autre surprise réside dans l’asymétrie entre les températures moyennes des hémisphères opposés du ciel, qui est contraire aux prévisions du modèle standard selon lequel l’Univers devrait être similaire dans une large mesure quelle que soit la direction des observations.

En outre, la tache froide repérée sur une partie du ciel est bien plus étendue qu’on ne l’escomptait.

Cette asymétrie et cette tache froide avaient déjà été décelées par le prédécesseur de Planck, le satellite WMAP de la NASA, mais elles ont été peu étudiées, certains spécialistes doutant qu’elles aient une origine cosmique.

“La détection de ces anomalies par Planck est suffisamment significative pour écarter tous les doutes qui auraient pu subsister quant à leur réalité. Impossible désormais d’avancer qu’il pourrait s’agir d’un biais introduit par les instruments eux-mêmes. Elles sont bien réelles et il nous faut maintenant leur trouver une explication crédible,” indique Paolo Natoli de l’Université de Ferrara (Italie).

“Imaginez que l’examen des fondations d’un bâtiment fasse apparaître des fragilités à certains endroits. Même sans avoir la certitude que le bâtiment soit à terme menacé d’effondrement, vous allez sans doute rechercher sans tarder le moyen de le consolider,” ajoute François Bouchet de l’Institut d’Astrophysique de Paris.

L’une des hypothèses que l’on peut avancer est que l’Univers n’est pas homogène dans toutes les directions à une échelle supérieure à celle sur laquelle portent nos observations. Dans ce scénario, la lumière du rayonnement fossile pourrait avoir suivi à travers l’Univers un cheminement plus complexe qu’on ne le pensait jusqu’ici, qui aurait donné naissance à certaines des structures inhabituelles que nous observons aujourd’hui.

“Notre but ultime est de construire un nouveau modèle qui prédise ces anomalies et explique les liens qu’elles entretiennent. Mais nous n’en sommes qu’aux prémices. Nous ne savons pas encore si cela est possible et quels sont les nouveaux postulats de la physique dont nous avons besoin. C’est cela qui est passionnant,” s’enthousiasme George Efstathiou.

Nouvelle recette cosmique

Ces anomalies mises à part, les données de Planck corroborent toutefois de façon spectaculaire l’hypothèse d’un modèle d’Univers relativement simple, ce qui permet aux chercheurs d’extraire de ces données les valeurs les plus précises qui soient quant à ses composantes.

La matière ordinaire qui constitue les étoiles et les galaxies représente seulement 4,9 % de la masse/densité énergétique de l’Univers. La matière noire, dont l’existence n’a jusqu’ici été mise en évidence qu’indirectement, à travers l’influence gravitationnelle qu’elle exerce, en constitue 26,8%, soit près d’un cinquième de plus que ce que l’on estimait précédemment.

Inversement, l’énergie noire, force mystérieuse que l’on croit être à l’origine de l’accélération de l’expansion de l’Univers, représente une proportion moindre que ce que l’on pensait auparavant.

Enfin, les données de Planck ont conduit à réviser le taux d’expansion actuel de l’Univers, dit constante de Hubble, pour le fixer à 67,15 km/s/Mpc, ce qui est notablement inférieur à la valeur servant actuellement de référence en astronomie. Il en résulte que l’âge de l’Univers serait de 13,82 milliards d’années.

“En nous permettant d’établir les cartes du rayonnement hyperfréquence les plus précises et les plus détaillées jamais réalisées à ce jour, Planck nous donne une nouvelle vision de l’Univers qui nous fait toucher du doigt les limites  des théories cosmologiques actuelles, ”  explique Jan Tauber, responsable scientifique du projet Planck à l’ESA.

“Nous observons une correspondance presque parfaite avec le modèle cosmologique standard mais certains traits énigmatiques nous contraignent à reconsidérer quelques-unes de nos hypothèses de base.”

“C’est le début d’une nouvelle aventure et nous comptons bien résoudre une partie de l’énigme en poursuivant l’analyse des données de Planck.”

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