La "première lumière de Planck" éclaire les espoirs des scientifiques

Planck a livré un relevé de "première lumière" d'une petite bande du ciel dans les longueurs d'onde millimétriques et submillimétriques. Ces données ont prouvé aux scientifiques que la première mission européenne conçue pour étudier le fond diffus cosmologique tient toutes ses promesses. Dans six mois, le satellite devrait avoir complété cette première observation et les scientifiques disposeront alors d'une carte du ciel complet. D'ici la fin de sa mission, Planck devrait pouvoir observer au moins deux fois le ciel complet, afin d'améliorer la qualité des mesures. Pour les astrophysiciens et cosmologues du monde entier, c'est l'attente d'un véritable trésor qui commence.

Ceci a fait l'objet ce jour à 12H, d'un communiqué de Presse (en Anglais ESA,NASA et en Français CNES,CNRS,INSU et IN2P3).

Planck orbite autour du second point de Lagrange du système terre soleil (L2). Il tourne sur lui-même pour observer en 6 mois l'intégralité de la voûte céleste. Son télescope de 1,5m collecte la lumière du fond diffus cosmologique et illumine deux instruments, HFI (High Frequency Instrument, 6 longueurs d'ondes) dont la réalisation a été pilotée par les scientifiques français et LFI (Low Frequencey Instrument, 3 longueurs d'ondes) de conception italienne. Ceux-ci mesurent à différentes longueurs d'onde les fluctuations de la température du rayonnement diffus cosmologique, ainsi que sa polarisation. Ces fluctuations sont de l'ordre du dix-millième de degré, mais afin de les mesurer convenablement, HFI atteindra une précision de l'ordre de quelques millionièmes de degré. C'est un défi technologique incroyable, comparable à celui de mesurer depuis la Terre la chaleur corporelle d'un lapin situé sur la lune ! Pour y parvenir les détecteurs de Planck doivent être maintenus à des températures extrêmement basses, certaines étant très proches du zéro absolu.

Planck a été lancé avec Herschel le 14 mai par Ariane 5, depuis le Centre Spatial Guyanais, à Kourou. Après le lancement, et pendant le voyage de Planck jusqu'à son orbite définitive, il a fallu refroidir les instruments et en parallèle, effectuer le réglage et la vérification de chacun des sous-systèmes du satellite. Le 13 août, la première campagne d'observation, dite de «première lumière», a débuté, pour deux semaines d'observation sans interruption. Cette campagne a permis de mettre à l'épreuve le matériel et de vérifier la stabilité des instruments ainsi que la capacité à les étalonner avec une extrême précision.

La campagne d'observation "première lumière" a pris fin le 27 août. Les 9 cartes du ciel obtenues, une pour chacune des longueurs d'onde d'observation de Planck, s'étirent sur une bande d'environ 15 degrés sur la voûte céleste. Les premières analyses de ces cartes permettent d'établir que les données recueillies sont d'excellente qualité. Le feu vert a donc été donné pour la première campagne d'observation du ciel complet et les opérations de routine ont donc démarré. Si tout se passe bien, d'ici la fin de son temps d'observation de 15 mois, Planck devrait couvrir deux fois la voute celeste et fournir deux cartes indépendantes du ciel complet.

Le travail des scientifiques participant à la mission ne s'arrêtera pas là. Il faudra encore deux ans pour traiter les données de façon exhaustive afin d'en extraire les résultats attendus. Afin de tirer parti au mieux de l'extraordinaire sensibilité de Planck, l'analyse des données devra être extrêmement rigoureuse. La communauté scientifique mondiale devra ainsi patienter jusqu'à fin 2012 pour disposer des données traitées et des premiers résultats scientifiques de la mission. Outre l'étude des premiers instants de l'univers qui sera menée par les scientifiques participant à la mission, la communauté scientifique mondiale aura de nombreux autres usages pour ces données, et leur exploitation complète occupera les scientifiques pour les décennies à venir. Ainsi, bien longtemps après la fin de la mission, les cosmologues et les astrophysiciens du monde entier continueront à exploiter les observations de Planck et à révéler les trésors qu'elles contiennent.

L'actualité en images

La première carte ovale est une représentation de la voûte céleste selon la projection "Mollweide" utilisée par les scientifiques et comparable à la projection "Mercator" couramment utilisée pour représenter le globe terrestre. Cette carte superpose la bande de ciel observée par Planck (en fausses couleurs, rouge vert et bleu) à une observation optique du ciel dans laquelle on reconnaît le long de l'équateur la bande lumineuse de notre voie lactée. Les fausses couleurs permettent de lire l'écart de la température observée (rouge, plus chaud, bleu plus froid) à la température moyenne du rayonnement de fond diffus (vert). On peut voir, dans les zones où la bande observée par Planck croise la voie lactée la forte émission radio de celle-ci (rouge soutenu) qui masque dans cette région les fluctuations du fond diffus cosmologique que l'on peut voir sous la forme de petites taches jaunes et bleues au-dessous et au-dessus de l'équateur.

La figure composée d'une mosaïque de cartes est un agrandissement de la zone d'observation de la voie lactée identifiée dans la carte du ciel par un grand carré blanc. Les 9 vignettes correspondent chacune à une des longueurs d'onde observées par Planck. Chaque carte couvre une surface du ciel de 20ºx20º. Dans chaque carte, la bande d'observation est légèrement décalée en raison de la disposition des détecteurs dans le plan focal du télescope. Dans chaque image, la silhouette de notre galaxie est légèrement différente. Cela est dû aux différents processus physiques qui sont à l'origine du rayonnement dans les longueurs d'ondes de Planck. À basse fréquence (grande longueur d'onde), ce sont les électrons de la voie lactée qui émettent des ondes radios lors de leurs interactions avec le gaz et le champ magnétique galactique. À haute fréquence (petite longueur d'onde), c'est le rayonnement de la poussière qui engendre le rayonnement mesuré par Planck. Cette observation de la voie lactée dans de nombreuses longueurs d'onde constitue une source d'information exceptionnelle sur la physique de notre galaxie. Les cartes de la campagne «première lumière» contiennent plus d'information que tout ce qui a été disponible jusqu'à aujourd'hui. On imagine facilement l'impatience avec laquelle les astrophysiciens spécialistes de notre galaxie attendent les résultats de Planck !

Les deux dernières cartes présentent un agrandissement d'une région de 10ºx10º correspondant à une zone de la bande d'observation «première lumière» loin de la voie lactée et donc peu perturbée par les émissions de celle-ci. Elle est identifiée dans la carte du ciel par le petit carré blanc. Ces deux observations ont été sélectionnées dans les fréquences de HFI (100GHz) et LFI (70GHz) les moins sensibles aux émissions de la galaxie.

La structure et la disposition des points chauds et froids de ces cartes sont caractéristiques du fond diffus cosmologique dont l'observation est la première mission de Planck. La similitude de ces deux cartes est frappante. À ce stade précoce de l'analyse, les scientifiques attendaient de plus grandes différences entre les cartes ! Il est stupéfiant de constater qu'après seulement deux semaines d'observation, deux détecteurs de deux instruments différents (LFI et HFI) utilisant des technologies différentes fournissent des résultats en aussi bon accord. C'est une preuve supplémentaire de la capacité de Planck à détecter et à cartographier les microscopiques structures du rayonnement diffus cosmologique. Elle justifie l'espoir des cosmologues du monde entier de disposer, grâce à Planck, d'une observation définitive des fluctuations de température du rayonnement de fond diffus cosmologique.

Les images présentées ici ne donnent encore qu'une idée assez lointaine de la précision finale des données après analyses. En effet, dans le cas des observations de l'instrument HFI, les cartes correspondent chacune à un seul détecteur et leur résolution a été dégradée (en convoluant l'image par une gaussienne de 10 arcminutes à mi-hauteur). HFI comporte 52 détecteurs dont les résolutions s'échelonnent entre 10 et 4 arcminutes. Après traitement, la combinaison de toutes ces données fournira des cartes de très grande précision.

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