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Comme nous l'annoncions dans un précédent article, les membres de la collaboration PlanckPlanck s'apprêtaient à rendre publics cette semaine, à l'occasion d'une conférence entre experts qui se tient du 1er au 5 décembre à Ferrara en Italie, certains des résultats des analyses des données complètes de la mission Planck. C'est chose faite, comme l'indique le site de Planck HFI.
Comme nous l'a rappelé l'astrophysicienne Cécile Renault, que Futura-Sciences a interrogée à cette occasion : « les premiers résultats cosmologiques publiés en avril 2013 portaient sur des données collectées par HFI et LFI correspondant à deux couvertures du ciel. Ceux que nous publierons bientôt sont issus de presque 5 couvertures du ciel avec HFI et 8 avec LFI ». Pour mémoire, le satellite Planck était équipé de deux instruments, LFI (Low Frequency Instrument) et HFI (High Frequency Instrument), qui observaient le ciel en radio pour le premier et dans les domaines submillimétrique et infrarouge lointain pour le second. HFI ne pouvait fonctionner qu'à la température extrême de -273,05 °C, soit seulement 0,1 degré au-dessus du zéro absolu.
Le système de réfrigération nécessaire à son fonctionnement utilisait des réserves d'hélium qui ont été épuisées début 2012. Seul LFI a continué à fonctionner jusqu'en octobre 2013. En effectuant plusieurs couvertures du ciel, les instruments de Planck ont donc permis de faire l'équivalent d'une longue pose pour la réalisation d'une photographiephotographie de qualité et donc riche en informations. La fin de l'année 2014 était la date prévue de la publication de résultats encore plus précis et surtout plus complets qu'en 2013.
Depuis la publication des premiers résultats des analyses des observations de Planck en 2013, les travaux se sont poursuivis. Cette vidéo nous explique de quelle nature pourraient être les nouvelles découvertes découlant de ces travaux qui concernent la date de la réionisation et la théorie de l'inflation. © Collaboration Planck, Canopée
Le suspense continue pour Bicep2
Tout le monde retenait son souffle dans l'attente d'une conclusion sur la découverte des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles primordiales annoncée par les membres de la collaboration Bicep2Bicep2. Allait-elle être réfutée par les mesures de Planck portant sur la polarisation du rayonnement fossile, plus exactement sur les fameux modes B ? Dans l'interview qu'il avait donnée à Futura-Sciences, le cosmologiste Max Tegmark nous avait dit à ce sujet : « c'est une controverse particulièrement passionnante. Si la découverte des ondes gravitationnelles de l'inflation venait à être confirmée ce serait une révolution en cosmologiecosmologie et elle mériterait l'attribution d'un prix Nobel ». Les deux collaborations avaient joint leurs forces et combiné leurs observations pour tenter d'y voir plus clair, car les mesures de Bicep2 pourraient être interprétées uniquement par l'effet sur le rayonnement fossilerayonnement fossile des poussières de la Voie lactéeVoie lactée.
Cécile Renault nous avait expliqué dans un précédent article que la carte de l'intensité de la polarisation des émissionsémissions dues à la poussière galactique dressée à partir des observations de Planck forçait les chercheurs à suspendre temporairement leur jugement. L'astrophysicienne a confié à Futura-Sciences qu'un article conjoint des collaborations Planck et Bicep devrait être publié d'ici la fin de l'année. La chercheuse précise : « l'Esa espère que cela pourra se faire en même temps que les articles techniques portant sur la totalité des observations de Planck dont la mise en ligne est prévue le 22 décembre (comme cadeau de Noël donc). Le contenu des articles de la collaboration Planck est déjà discuté pendant la conférence de Ferrara et il le sera aussi pour la conférence de Paris du 15 au 19 décembre ».
Les progrès de l’ère de la cosmologie de précision nous permettent d’année en année de mieux connaître le contenu de notre univers observable ainsi que son évolution au cours du temps. Comme le montre ce schéma, environ 400.000 ans après le Big Bang, l’univers était largement dominé par son contenu en matière noire non baryonique (la matière sombre) alors que le reste de sa densité était constitué en parts comparables par les photons, les neutrinos et la matière normale. La contribution à la densité du cosmos de l’énergie noire était alors complètement négligeable. Il n’en sera pas de même dans 10 milliards d’années car cette mystérieuse énergie sombre devrait alors constituer plus de 93 % du contenu de l’univers. © ESA, collaboration Planck
Matière noire et énergie noire ne sont pas des « épicycles »
En attendant ces publications, les nouvelles analyses du rayonnement fossile nous permettent déjà d'en savoir plus sur le contenu de l'universunivers observable et de consolider le modèle standardmodèle standard aussi bien en cosmologie que, comme nous allons le voir, en physiquephysique des particules.
Le spectrespectre de la lumièrelumière des étoilesétoiles contient des raies, des sortes de bosses et de creux dans la courbe de l'intensité lumineuse, qui nous renseignent entre autres sur la composition chimique de l'atmosphèreatmosphère d'une étoile mais aussi sur son champ de gravitégravité et son champ magnétiquechamp magnétique. On peut dresser l'analogue de cette courbe d'intensité pour les fluctuations de température et de polarisation selon les modes E (à ne pas confondre avec les modes B) du rayonnement fossile. Les courbes obtenues dépendent de l'échelle angulaire des observations effectuées avec HFI et LFI. Elles constituent une sorte de carte d'identité de notre univers et l'on peut y lire, grâce à la position et la taille de ces pics, les valeurs de ce que l'on appelle les paramètres cosmologiques. On peut ainsi connaître l'âge, la courbure de l'espace ainsi que le contenu en matière noirematière noire et en énergie noire du cosmoscosmos.
Ces paramètres peuvent être compatibles avec plusieurs modèles de cosmologies relativistes déduits de la relativité généralerelativité générale et de la physique des particules qui essaient de décrire notre univers. On peut chercher à les estimer au moyen de différentes observations et expériences. Mais lorsque les mesures sont peu précises ou très ciblés (on ne peut tester la valeur prédite de la pente d'une droite si on a deux points mal définis ou un seul point parfaitement défini), apparaissent des « dégénérescences », selon le terme consacré, ce qui est une façon de dire que plusieurs modèles reproduisent les observations. Les nouveaux résultats de Planck sont extrêmement intéressants à cet égard.
Les courbes décrivant les spectres des fluctuations de température et de polarisation (selon les modes scalaires E) sont passés de 7 pics en 2013 à 19 pics en 2014. La mesure du rayonnement fossile suffit désormais à elle seule pour déterminer et contraindre avec précision 6 paramètres cosmologiques. De la même façon qu'il est de plus en plus difficile d'ajuster au plus près des courbes arbitraires pour un nombre grandissant de points sur un graphique, il est devenu encore plus difficile d'imaginer que notre univers puisse être décrit par autre chose que le modèle standard en cosmologie. Remarquablement, les contraintes obtenues sont bavardes sur la nature de la matière noire ainsi que sur celle des neutrinosneutrinos.
Spectres de puissance angulaire du rayonnement fossile mesurés par Planck en température (TT), en polarisation scalaire (EE) et en croisant température et polarisation scalaire (TE). L'abscisse est exprimée en multipôle, qui correspond à l'inverse d'une échelle angulaire ( l=200 correspond à 1 degré environ, l=30 à 6 degrés, l=1.500 à 0,13 degré soit 8 minutes d'arc). Le modèle est représenté par les lignes rouges alors que les mesures correspondent aux point bleus. Planck permet à la polarisation du rayonnement fossile d'entrer dans l'ère de la cosmologie de précision. © ESA, collaboration Planck
Planck confirme l'existence des neutrinos du modèle standard
Lorsque l'univers était encore très chaud, la pressionpression de la lumière pouvait s'opposer à l'effondrementeffondrement de certaines de ses fluctuations de densité de matière tout comme elle s'oppose aujourd'hui à l'effondrement du SoleilSoleil sous son propre poids. Des concentrations de massesmasses inférieures à certaines valeurs n'ont donc pas pu s'effondrer en étoiles et groupement d'étoiles. Du fait de leurs faibles masses et à grandes énergiesénergies, les neutrinos se sont comportés pendant un temps un peu comme les photonsphotons. Ils ont donc aussi contribué à gommer certaines fluctuations de densité, ne laissant subsister que celles qui vont donner par effondrement des groupements de matière de masses supérieures à une valeur donnée.
« On peut lire dans les spectres des fluctuations de température et de polarisation selon les modes E et en considérant également les effets de lentille gravitationnelle sur le rayonnement fossile, la valeur maximale possible de la masse des neutrinos, explique Cécile Renault. Planck nous dit aujourd'hui qu'elle doit être inférieure à une masse de 0,23 électron-voltélectron-volt, ce qui est plus de deux millions de fois plus petite que celle d'un électron.
On peut aussi poser des bornes sur le nombre de types de neutrinos. Il est de 3 dans le modèle standard de la physique des particules, spectaculairement vérifié par les mesures faites avec le LEPLEP et le LHC. Les données de WMap ouvraient la porteporte à l'existence d'un quatrième type de neutrinos, par exemple des neutrinos stériles légers. On ne peut pas vraiment affirmer que les observations de Planck excluent radicalement l'existence d'autres neutrinos, car il existe une grande variété de théories à ce sujet. Mais ce qui est sûr, c'est que le rayonnement fossile ne fournit plus d'arguments convaincants en faveur de leur existence. Les données de Planck sont parfaitement compatibles avec le modèle standard, nous n'avons pas besoin pour les expliquer d'introduire d'autres neutrinos.
En fait, la situation est encore plus contraignante. Les mesures impliquent l'existence de particules qui se trouvent précisément avoir plusieurs caractéristiques qui sont celles des neutrinos du modèle standard. À nouveau, les résultats de Planck apparaissent comme une confirmation solidesolide et très sérieuse de la cosmologie moderne. »
Schéma des contraintes apportées par diverses expériences sur le produit (section efficace x vitesse) et la masse de la particule de matière noire. La zone bleue est exclue par Planck 2014 à 95 % de niveau de confiance, le trait jaune indique quelle partie était déjà exclue par WMap 9. La ligne pointillée verte montre la sensibilité ultime d'une expérience mesurant le rayonnement fossile avec la même résolution angulaire que Planck. La bande rouge correspond aux modèles avec une densité relique thermique considérés comme les plus naturels. Les cercles gris foncé indiquent les valeurs préférées d'après les excès de rayonnement cosmique mesurés par Pamela/AMS-02/Fermi. Les étoiles en gris clair montrent les modèles de matière noire qui s'ajustent au mieux à l'excès mesuré par Fermi en direction du centre galactique. Les zones hachurées illustrent les incertitudes d'origine astrophysique sur ces calculs. © ESA, collaboration Planck
Lorsque l'univers s'est refroidi, les neutrinos se sont comportés comme des particules de matière noire et ils ont contribué avec elle à la formation des grandes structures comme celles regroupant les amas de galaxiesamas de galaxies. Bien qu'il existe un fond de neutrinos cosmologiques fossiles et que le nombre de ces neutrinos dans l'univers observable soit supérieur à celui des photons fossiles, leurs masses sont bien trop faibles pour rendre compte de l'existence des galaxies et des amas de galaxies. Il est nécessaire pour cela, ainsi que pour expliquer les caractéristiques du rayonnement fossile, de postuler l'existence de particules qui ne sont pas contenues dans le modèle standard.
Les positrons d'AMS ne seraient pas dus à la matière noire
Il existe un zoo très riche de nouvelles particules qui pourraient tenir le rôle de particules de matière noire et faisant intervenir de la nouvelle physique comme la supersymétrie. Certaines de ces particules peuvent se désintégrer ou encore s'annihiler lorsqu'elles rencontrent leurs antiparticulesantiparticules. Cela se traduit par exemple par l'émission de photons gamma, de positronspositrons ou la production de protonsprotons et d'antiprotonsantiprotons. En fonction de leurs masses et d'une caractéristique du taux de désintégration ou d'annihilation des particules de matière noire, il est possible de calculer l'effet qu'auraient celles-ci sur les fluctuations de températures et de polarisation. Elles se comportent en effet un peu comme des sources de chaleurchaleur à l'instar des éléments radioactifs à l'intérieur des planètes. On peut d'ailleurs poser des contraintes sur les particules de matière noire de cette façon aussi par l'effet qu'elles auraient eu sur les réactions de nucléosynthèse primordiale.
« Les données fournies par Planck posent maintenant de sérieuses contraintes sur la physique au-delà du modèle standard en ce qui concerne la matière noire, conclut Cécile Renault. Il est ainsi devenu très difficile d'expliquer les anomaliesanomalies dans les flux de positrons mesurés par AMS et Pamela dans l'espace en postulant comme source de ces positrons des annihilations de particules de matière noire. On avait déjà des doutes auparavant car cela nécessitait des modèles avec de la physiquemodèles avec de la physique très exotiqueexotique. Il semble très probable que ces flux de positrons aient des explications en terme de processus astrophysiquesastrophysiques déjà connus, comme la présence de pulsarspulsars pas encore détectés dans la banlieue galactique du Soleil. D'autres modèles qui favorisent plutôt des annihilations ou des désintégrations donnant des photons gamma restent encore en lice, comme certains de ceux qui ont été proposés pour expliquer des observations du centre galactiquecentre galactique faites avec le télescopetélescope gamma en orbiteorbite Fermi. »
