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Planck : toute la lumière sur l’origine de l’Univers

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Planck : toute la lumière sur l’origine de l’Univers

François Bouchet est directeur de recherche CNRS à l'institut d'astrophysique de Paris (IAP, UPMC/CNRS) et co-responsable scientifique de l'instrument HFI embarqué à bord du satellite Planck. Ce projet a pour ambition de dévoiler les origines de l’Univers en observant la lumière émise 380.000 ans après le Big Bang. Responsable au niveau mondial du traitement des centaines de milliards de données envoyées par le satellite, l’astrophysicien a révélé les premiers résultats de la mission.

 

La carte du rayonnement fossile réalisée grâce aux données du satellite Planck. Crédits : ESA - collaboration Planck. D. R.

 

Comment est née et en quoi consiste la mission Planck ?

François Bouchet. Depuis le début du 20e siècle, nous avons découvert le rayonnement cosmologique, le plus ancien émis par l’Univers, et qui permet de mieux appréhender son histoire. En 1992, le satellite COBE annonce l’une des découvertes les plus importantes du siècle : la détection des anisotropies de ce corps noir cosmologique, c’est-à-dire les variations de température du fond du ciel en fonction de la direction d’observation. Or, plus nous remontons le temps, plus l’Univers est chaud, dense et peu évolué. Plus nous regardons au loin, plus notre exploration nous rapproche des origines de l’Univers en des temps où les structures (galaxies, amas de galaxies, etc.) sont de moins en moins développées : il s’avère que la lumière du fond du ciel a été émise, environ 380 000 ans après le Big Bang il y a 13,8 milliards d’années. En mesurant ce rayonnement du fond du ciel, nous observons une portion de l’Univers dans un état très primitif.

 

Pour aller observer cette lumière, Jean-Loup Puget, Jean-Michel Lamarre, Richard Gispert et moi-même avons collaboré pour mettre au point le projet de satellite Planck. Un satellite bien plus précis que son prédécesseur lancé en 2001 par la Nasa, WMAP. Nous avons été sélectionnés en 1996 par l’agence spatiale européenne (ESA) après l’acceptation d’une première version du projet, un peu moins ambitieuse par le centre national d’études spatiales (Cnes). En 2009, le satellite Planck décolle avec l’instrument HFI de la base de Kourou en Guyane. Sa mission est d’observer le fond du ciel avec la précision requise pour épuiser toute l’information que ce rayonnement recèle.

 

Comment avez-vous analysé les données et que révèlent-elles ?

F. B. Le satellite a balayé le ciel pendant 30 mois, envoyant régulièrement de précieuses observations stockées pour traitement au sous-sol de l’IAP. L’instrument HFI, piloté par la France, est arrivé en fin de vie en janvier dernier après avoir envoyé plus de 800 milliards de points de mesure. Les résultats annoncés en mars correspondent à une première analyse de la moitié des points de mesure. Au cours de ce traitement, nous avons transformé ce flot de données en six cartes, représentant l’intensité du rayonnement dans différentes couleurs correspondantes aux différentes longueurs d’ondes. L’autre instrument de Planck a fourni trois cartes additionnelles, utiles pour certaines analyses. Nous en avons tiré la carte de la température du fond du ciel, dont les détails de la texture nous renseignent sur quelques paramètres cosmologiques d’importance. Deux paramètres décrivent la constitution de l’Univers : l’un révèle le taux d’expansion de l’Univers et l’autre l’influence de la formation des premières étoiles. Enfin deux autres paramètres nous renseignent sur les mécanismes physiques qui ont engendré les anisotropies, apportant des informations uniques sur ce qu’il s’est passé aux tous premiers instants de l’Univers. En effet, la meilleure explication que nous possédons fait référence à une phase d’inflation, au cours de laquelle les fluctuations quantiques du vide initient la croissance des structures. En d’autres termes, il faut chercher dans cette première fraction de seconde l’origine du développement de la complexité dans l’Univers : nous sommes nés du vide ! Les premières données sont très bien décrites par la théorie du Big Bang et de l’inflation.

 

Ces résultats vont-ils remettre en cause et /faire évoluer les connaissances actuelles ?

F. B. Les observations du satellite Planck ont réservé quelques surprises. Le taux d’expansion de l’Univers est plus lent qu’on ne le pensait, et l’âge de l’Univers un peu plus élevé. D’autre part, le satellite modifie légèrement la composition de l’Univers avec un peu moins d’énergie noire et un peu plus de matière noire. Beaucoup de modèles pour la génération des grumeaux primordiaux ont ainsi été éliminés. Planck soulève également des interrogations au niveau des amas de galaxie pour lesquelles nous n’avons pas encore de réponses. Plus fondamentalement, nous avons aussi trouvé un certain nombre d’anomalies, dont l’existence est peu probable au sein du cadre théorique minimal, en particulier aux plus grandes échelles angulaires de la carte. Hasard ou pas, nous espérons que les résultats de la seconde moitié des données permettront d’y voir plus clair. Qui sait, une nouvelle physique pourrait peut-être voir le jour. C’est tout ce que nous pouvons dire à l’issue de cette première analyse. En tout état de cause le rêve qui a commencé en 1992 est aujourd’hui largement réalisé car nous avons atteint nos prévisions les plus optimistes. Nous nous attacherons en particulier à l’analyse de la polarisation de la lumière (comportement des vecteurs électrique et magnétique au cours de la propagation d’une onde lumineuse), qui justifiera peut-être la construction d’un nouvel instrument et plusieurs générations d’étudiants de l’UPMC vont pouvoir rêver d’apporter de nouvelles informations sur ce sujet !

 

* Jean-Loup Puget est directeur de recherche au CNRS et directeur de l’institut d’astrophysique spatiale (IAS). Jean-Michel Lamarre est directeur de recherche au CNRS et responsable de la partie instrumentale du projet Planck. Richard Gispert était directeur de recherches CNRS à l'institut d'astrophysique spatiale d'Orsay.

Pour en savoir plus :

Le site de PlanckNouvelle fenêtre

Le site de l’institut d’astrophysique de Paris (IAP, UPMC/CNRS)Nouvelle fenêtre

 

À lire : Planck : nouvelles révélations sur la matière noire et les neutrinos fossiles

La collaboration Planck, qui implique notamment le CNRS, le CEA, le CNES et plusieurs universités françaises, a dévoilé le 1er décembre 2014 à la conférence de Ferrara (Italie) les résultats des quatre années d’observation du satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA), dédié à l’étude du « rayonnement fossile », la plus vieille lumière de l’Univers. Pour la première fois, la plus ancienne image de notre univers a été mesurée précisément selon deux paramètres de la lumière (en intensité et en polarisation), sur l’ensemble de la voûte céleste. Cette lumière primordiale nous permet de « voir » les particules les plus insaisissables : la matière noire et les neutrinos fossiles. Lire la suite du communiqué sur le site du CNRSNouvelle fenêtre.



13/01/15