Planck ébranle la découverte des ondes gravitationnelles du Big Bang

Le 17 mars 2014, les membres de la collaboration Bicep2Bicep2 ont généré une grande excitation dans la communauté scientifique en annonçant qu'ils pensaient avoir détecté les traces des ondes gravitationnelles accompagnant une phase d'inflation de l'univers très primordial. Si tel était bien le cas, l'humanité était au seuil d'une révolution en cosmologie et en physique fondamentale, ouvrant une fenêtrefenêtre sur l'unification des forces de la nature et peut-être même sur la gravitation quantiquegravitation quantique et les multivers.

De même que les photons du rayonnement fossile constituent la plus vieille lumière de l'univers observable, les ondes gravitationnelles du Big BangBig Bang peuvent être vues comme les restes de la plus vieille « lumière gravitationnellelumière gravitationnelle » du cosmoscosmos. Grâce à leur caractère très pénétrant, elles peuvent nous parvenir de régions qui étaient très denses très peu de temps après le mythique temps de Plancktemps de Planck, 10^-43 s après l'hypothétique temps zéro. Dans le cadre de la théorie de l'inflation, qui suppose une phase d'expansion très importante de l'espace quelque part entre le temps de Planck et environ 10^-32 s après le temps zéro, le tissu de l'espace-tempsespace-temps, agité de fluctuations quantiques microscopiques, aurait été tellement dilaté que ces fluctuations seraient devenues macroscopiques et que des ondes gravitationnelles auraient été massivement produites. Elles auraient finalement laissé leur empreinte dans la polarisation de la lumière du rayonnement fossilerayonnement fossile, environ 380.000 ans après le début de l'univers observable.

L'histoire de notre univers observable a débuté il y a 13,8 milliards d'années. Pendant l'inflation, moins de 10^-32 s après le « temps zéro », des fluctuations de densité de matière (density waves) et des ondes gravitationnelles (gravitational waves) auraient été engendrées. Les ondes gravitationnelles pouvant se propager malgré des densités de matière élevées, elles peuvent nous renseigner sur l'état de l'univers avant qu'il ne soit âgé de 10^-32 s. Il n'en est pas de même pour la lumière. Il a fallu attendre 380.000 ans pour qu'elle soit libre de se déplacer dans le cosmos observable, quand sa température et sa densité étaient devenues bien plus basses. Les photons du rayonnement fossile sont donc bien moins vieux que les ondes gravitationnelles qui auraient laissé leur empreinte sur ce rayonnement. © BICEP2 Collaboration

Un avant-plan de poussières galactiques problématique

Hélas, les poussières de notre GalaxieGalaxie émettent, elles aussi, un rayonnement polarisé qui mime ce que l'on appelle des modes Bmodes B, le signal caractéristique des ondes gravitationnelles du Big Bang. Les théories au-delà du modèle standardmodèle standard, qui conduisent à une phase d'inflation en cosmologie, autorisent une large plage de valeurs possibles pour ces modes B. Si leur amplitude est très faible, comme le prédisent en général les modèles déduits de la théorie des supercordesthéorie des supercordes, ces modes B peuvent donc se trouver complètement noyés dans le bruit de fond généré par les poussières de la Voie lactéeVoie lactée.

Les membres de Bicep2 en étaient bien conscients mais ils pensaient avoir réussi à observer une petite région au-dessus du plan galactique suffisamment peu parasitée par la poussière pour pouvoir affirmer avec une grande confiance que le signal qu'ils avaient mesuré devait être d'origine cosmologique. Mais peu de temps après l'annonce du mois de mars, des voix se sont élevées laissant entendre que les contributions des poussières galactiques avaient probablement été sous-estimées. Les regards se sont alors rapidement tournés vers la collaboration Planck qui avait la capacité de confirmer, ou de réfuter, les affirmations de Bicep2 avant la fin de l'année 2014.

Bien que les instruments de mesure de Bicep2 soient plus sensibles que ceux de Planck pour la recherche des modes B d'origine cosmologique, le satellite dispose de plusieurs avantages. Tout d'abord, il peut mesurer les caractéristiques du rayonnement fossile dans plusieurs bandes de fréquencesbandes de fréquences, contrairement à Bicep2 qui n'a effectué des mesures qu'à la fréquence de 150 GHz. Planck permet ainsi de distinguer les différentes contributions susceptibles de le brouiller et, en principe, de pouvoir les soustraire afin d'avoir accès au signal recherché, comme nous l'avait expliqué Laurence Perotto, membre de la collaboration Planck. La tâche n'est pas aisée mais elle est facilitée par le fait que Planck dispose de mesures couvrant l'ensemble de la voûte céleste. Tout le monde retenait donc son souffle depuis plusieurs mois en attendant la publication des résultats des membres de la collaboration Planck qui étaient, eux aussi, partis à la chasse aux modes B. Elle était prévue pour l'automneautomne 2014, en octobre ou en novembre.

Planck et les observations de Bicep2

À défaut de publier leurs propres conclusions concernant la présence ou non des modes B de l'inflation dans le rayonnement fossile, les membres de la collaboration Planck ont déjà déposé un article sur arxiv dans lequel ils livrent une carte de l'intensité de la polarisation des émissionsémissions dues à la poussière galactique sur les hautes latitudeslatitudes galactiques. Une précédente carte rendue publique par les Planckiens ne couvrait pas les régions des pôles galactiques, ce qui faisait durer le suspens car les observations de Bicep2 avaient précisément été conduites dans une portion de la voûte céleste proche du pôle sud galactique.

Comme l'a expliqué à Futura-Sciences l'astrophysicienne Cécile Renault, très impliquée dans la collaboration Planck comme responsable du traitement des données en temps de l'instrument hautes fréquences (HFI) du satellite, la nouvelle carte révèle que les contributions des poussières de la Voie lactée à la polarisation du rayonnement fossile ont été sous-estimées. « Il n'existe en fait aucune région de la voûte céleste où l'on puisse négliger l'effet des émissions de la poussière galactique, affirme la chercheuse. Avant les observations de Planck, il n'y avait aucun moyen d'en être sûr mais cela n'est finalement pas très surprenant. Il ne faut pas oublier que le Système solaireSystème solaire se trouve à l'intérieur du plan de la Galaxie. Même en regardant dans une direction perpendiculaire à ce plan, nos observations se font toujours à travers le milieu interstellaire qui contient de la poussière. »

Pour parvenir à cette conclusion, les chercheurs se sont concentrés sur les mesures de Planck effectuées à la fréquence de 353 GHz. « Ce choix n'est pas anodin, précise Cécile Renault. À cette fréquence, on est sûr que les émissions que l'on observe proviennent de façon écrasante des poussières galactiques dont on peut détecter la présence sur la voûte céleste. Le signal y est très fort et les mesures que l'on peut faire sont précises. Ce n'est pas le cas pour des fréquences plus faibles. »

Les bandes verticales grises représentent les canaux de fréquences dans lesquelles Planck a mesuré le rayonnement fossile (CMB). Les courbes en couleur représentent l'intensité des diverses émissions parasites qui se superposent au signal proprement cosmologique. On voit clairement que le rayonnement de la poussière galactique (dust) domine largement toutes les autres émissions au-delà de 300 GHz. © Adapté du Planck Bluebook par le JPL, ESA

Ces mesures ont tout de même été complétées par d'autres réalisées par Planck à des fréquences comprises entre 100 et 353 GHz. « Elles ont permis de déterminer le comportement spectral du signal » indique l'astrophysicienne. En d'autres termes, elles montrent comment peut varier l'intensité des émissions des poussières dans cette bande de fréquences. Au final, il est possible d'extrapoler l'intensité de ces émissions à 150 GHz, c'est-à-dire la fréquence où ont été faites les mesures de Bicep2, et d'examiner les régions de hautes latitudes galactiques contenant le fameux southern galactic hole dont nous avait parlé Denis Barkats dans son interview sur les observations de Bicep2.

Malheureusement, les observations de Planck sont parfaitement compatibles avec l'hypothèse que la polarisation mesurée par Bicep2 soit due uniquement à ces poussières. Pour Cécile Renault, cependant, « il ne faut pas aller au-delà de cette simple constatation. Il serait incorrect de penser que les observations de Planck invalident très probablement complètement l'hypothèse que les membres de Bicep2 ont bel et bien observé des traces des ondes gravitationnelles produites pendant l'inflation. En l'état, il est encore impossible de préciser, compte tenu des incertitudes portant sur l'évaluation de la polarisation du rayonnement fossile due aux poussières galactiques au voisinage du southernsouthern galactic hole, quelle est la part du signal mesuré qui est due à ces poussières et quelle est celle qui pourrait être due aux ondes gravitationnelles ».

Ce graphique montre la dépendance en fréquence de l'intensité du rayonnement mesuré par Planck dans une zone du ciel qui englobe légèrement le champ des observations de Bicep2. Les points rouges représentent les résultats de Planck. Le modèle issu des observations de Planck, utilisé pour l’extrapolation, est tracé en pointillés. On voit bien que la barre d'erreur est petite pour la mesure à 353 GHz alors que celles des fréquences plus basses sont plus grandes. © Esa, collaboration Planck

On ne pourra donc pas faire l'économie d'une évaluation précise de la part des modes B générés par les poussières de la Voie lactée, ce qui complique les analyses du rayonnement fossile. Pour y voir plus clair, il s'avère judicieux de combiner les mesures de Planck et de Bicep2. Comme l'explique Cécile Renault, « les deux instruments sont complémentaires. Planck a par exemple permis de faire des mesures à 353 GHz, qui sont impossibles à obtenir au sol, mais il n'a pas une sensibilité aussi grande que celle de Bicep2 à 150 GHz en polarisation. Les deux collaborations ont donc joint leurs forces ce qui devrait donner lieu à une nouvelle publication dans un avenir assez proche ».

Quoi qu'il en soit, très probablement fin novembre ou tout début décembre, la collaboration Planck devrait mettre en ligne les résultats des analyses complètes de toutes les données collectées par le satellite pendant sa mission. Devraient bien sûr y figurer ceux portant sur la recherche des modes B. L'annonce présentera également de nouvelles évaluations plus précises des paramètres cosmologiques et d'autres caractéristiques du rayonnement fossile, comme l'importance des fluctuations non gaussiennes, qui vont nourrir les modèles de cosmologie primordiale avancés depuis quelques décennies.

Un paramètre pour départager les modèles de l'inflation

Une confirmation de l'existence des ondes gravitationnelles prédites par la théorie de l'inflation serait certainement un événement majeur pour la physique, la cosmologie et même la philosophie. Mais la question qui préoccupe sans doute le plus les théoriciens est de connaître la valeur d'une quantité appelée rapport tenseurtenseur-scalaire, notée r. C'est en quelque sorte une mesure du rapport de l'amplitude des fluctuations des ondes gravitationnelles générées par l'inflation sur l'amplitude des fluctuations de densité de matièrematière, aussi produites par l'inflation et qui serviront de germesgermes à la formation des étoilesétoiles et des galaxies.

Les premières estimations de sa valeur étaient indirectes. Celle issue des données déjà analysées de Planck indiquaient r < 0,11 alors que Bicep2 favorisait la valeur r=0,2. Toute la question est de savoir, en supposant qu'il se soit bien produit une phase d'inflation primordiale, si la valeur de r qui en découle est suffisamment élevée pour être mesurable. Si tel n'est pas le cas, une preuve incontestable de la validité de la théorie de l'inflation pourrait bien nous échapper à tout jamais. Dans le cas contraire, la connaissance de la valeur de r permettra de faire le tri entre de nombreux modèles avancés pour compléter le modèle standard, par exemple dans le cadre de la théorie des supercordes ou des modèles de GUT supersymétriques. Les résultats de Planck laissent maintenant penser que r doit être inférieur à 0,2 mais on ne peut encore rien dire de plus.