Le rayonnement fossile vu par Planck, la nouvelle référence en cosmologie

La mission satellite Planck de l’ESA livre la carte “finale”* de la température du rayonnement fossile : le visage que notre Univers présentait moins de 400 000 ans après le Big-Bang.

Les scientifiques de la collaboration Planck ont extrait, de quinze mois d’observation du ciel, la plus ancienne image de notre Univers. Celle-ci est formée par la gigantesque quantité de lumière libérée de la matière moins de 400 000 ans après le Big-Bang. Cette lumière, appelée rayonnement fossile, baigne tout l’Univers.

S’il est rare de pouvoir parler de mesure définitive en physique, avec la mission Planck on peut considérer que l’objectif est atteint : la totalité du ciel a été observée, la sensibilité est exceptionnelle et la résolution de l’image permet de voir tous les détails de cette lumière primordiale - l’émission du rayonnement fossile n’ayant pas été instantanée, un flou originel gomme les détails plus fins.

Carte de la température du rayonnement fossile sur tout le ciel réalisée par la collaboration Planck à partir des données recueillies par les instruments HFI et LFI du satellite. L’échelle de couleur est en millionièmes de degré : c’est l’écart par rapport à la température moyenne de -270.425 ℃ mesurée par le satellite COBE en 1992.

Crédits : ESA - collaboration Planck

La totalité du ciel à haute résolution

Les satellites COBE et WMAP, les expériences en ballon ou les télescopes installés dans des déserts ont, certes, déjà fait de précieuses mesures du rayonnement fossile. Cependant, aucun n’a accompli ce que Planck, le satellite de l’ESA, a réalisé en remplissant son contrat : observer tout le ciel à haute résolution. La carte de Planck est dorénavant l’une des références incontournables de la cosmologie observationnelle.

Légende : Comparaison entre le rayonnement fossile vu par le satellite européen Planck et par le satellite américain WMAP 10 ans plus tôt. Les détails sont enfin accessibles sur toute la voûte céleste.

Crédits : ESA - collaboration Planck

Pour en savoir plus :

*En 2014, la collaboration Planck livrera une nouvelle carte en température extraite de la mission complète, soit vingt-neuf mois de données au lieu des quinze mois de la mission nominale. Mais, à l’œil nu, cette nouvelle carte sera à peine distincte de la carte actuelle.

Caractérisation statistique de la carte du rayonnement fossile

Une carte est un objet à deux dimensions parfois difficile à utiliser car le nombre d’opérations pour l’exploiter est généralement proportionnel au carré du nombre de pixels. Et les cartes de Planck-HFI contiennent plus de 50 millions de pixels… Heureusement on peut extraire l’information statistique sous la forme de quelques milliers de nombres seulement. En effet les fluctuations en température sont supposées “gaussiennes” et le ciel est supposé “isotrope” - hypothèses qui sont vérfiées par ailleurs. On construit ainsi le spectre de puissance angulaire de la carte en température du rayonnement fossile qui caractérise la distribution en taille et en amplitude des fluctuations.

Ce spectre de puissance angulaire représente l’énergie moyenne des fluctuations en fonction de l’échelle angulaire. Plus le multipôle est grand, plus les angles sont petits. On remarque que le maximum se situe vers le multipôle 200, soit environ 1degré sur le ciel.

Planck permet pour la première fois de mesurer de manière cohérente sept pics acoustiques.

Spectre de puissance angulaire

Légende : Spectre de puissance angulaire des fluctuations de température du rayonnement fossile réalisé par la collaboration Planck à partir des données recueillies par les instruments HFI et LFI du satellite. La ligne verte correspond au modèle de concordance ajusté aux données.

Crédits : ESA - collaboration Planck

Légende : Cette animation illustre comment la multitude d'informations contenues dans la carte du rayonnement fossile sur tout le ciel peut être concentrée dans la courbe du spectre de puissance angulaire des fluctuations.

Crédits : ESA - collaboration Planck

Il n’y a pas de relation simple et intuitive entre l’ensemble des sept pics détectés par Planck et les paramètres cosmologiques, mais tout est là ! La position et la hauteur des pics acoustiques dépendent de paramètres cosmologiques comme la densité de matière totale, la densité de matière baryonique, le paramètre de Hubble, la courbure (et quelques autres). Il est essentiel pour les cosmologistes de mesurer un maximum de pics pour mieux contraindre ces paramètres cosmologiques.

L’exploitation usuelle du rayonnement fossile consiste ainsi à réduire les informations contenues dans la carte aux informations contenues dans une simple courbe (le spectre de puissance angulaire). Cette simplification repose sur deux hypothèses : le ciel est isotrope - statistiquement, toutes les directions sont équivalentes, et les fluctuations sont gaussiennes - l'amplitude des fluctuations d'une taille donnée est "homogène" et l’information peut se résumer alors à l'amplitude moyenne des grumeaux d'une taille angulaire donnée. Il est donc essentiel de tester ces hypothèses le plus sévèrement possible. Les déviations par rapport à cette base peuvent être étudiées selon leur origine et leur nature physique : modèles d’inflation non-standards, défauts topologiques, géométrie et topologie (“forme”) de l’univers.