Le ciel vu par Planck : en couleur

Planck observe la totalité de la voûte céleste grâce à ses deux instruments LFI (dans le domaine des fréquences radio) et HFI (dans le domaine des fréquences millimétriques et infrarouge lointain). A quoi ressemble le ciel vu avec les yeux de Planck ? Que contient-il ?

Légende : Les neuf cartes en température de l’ensemble du ciel. Cette représentation est similaire à celle utilisée pour montrer toute la surface de la Terre sur un planisphère. On place le plan de notre Galaxie, la Voie Lactée, au milieu de cette représentation.

Crédits : ESA - collaboration Planck

Ce que l’on voit

En regardant partout “autour de lui”, le satellite Planck capte toutes les informations qui se présentent sur sa lignée de visée (galaxies, nuage interstellaire, etc…). Pour « arriver » jusqu’au rayonnement fossile, il est donc nécessaire de procéder à une séparation de ces éléments que nous appelons les composantes.

Si l’extraction des émissions de toutes les composantes combinées dans ces images demande un travail spécifique, on peut néanmoins, à l’oeil, identifier les deux principales sources de lumière vues par le satellite Planck.

Légende : Une carte par fréquence (ici à 217 GHz) résulte de la superposition de l’émission des différentes sources de rayonnement dans cette même “couleur” dans chacune des directions. C’est un paysage cosmique avec ses divers plans.

Crédits : ESA - collaboration Planck - Canopée

Le rayonnement fossile

Le “fond” des cartes, l’arrière-plan de toutes ces images, a exactement le même aspect de 30 à 353 GHz dans l’unité choisie (au-delà, il est totalement masqué par les avant-plans). Comme l’unité choisie est celle d’une température thermodynamique, cette similarité prouve que ce signal suit bien la loi de corps noir avec la température de 2,7255 kelvin mesurée par COBE : c’est le rayonnement fossile.

Notre Galaxie

La source que nous voyons au milieu de la carte, et ceci à toutes les fréquences, représente notre Galaxie. Mais elle change d’aspect en fonction de la fréquence, jusqu’à emplir tout le ciel dans l’infrarouge lointain. Aux plus basses fréquences, dans le domaine radio, on voit un signal produit par des processus non thermiques et reliés aux champs magnétiques galactiques. Mais quand on s’approche du domaine infrarouge, le signal devient intense : c’est l’émission thermique des poussières présentes dans des nuages de gaz froid (quelques dizaines de kelvins au maximum, soit entre -260 et -240 °C ).

Les autres galaxies

Des milliers de sources extragalactiques sont également présentes dans ces cartes mais, du fait de leur échelle, elles ne sont pas détectables. Les seules sources extragalactiques visibles à l’oeil dans les cartes de Planck sont situées dans les nuages de Magellan.

Un patrimoine pour l’astrophysique

Si des cartes assez semblables ont été déjà réalisées par le satellite WMAP aux trois plus basses fréquences (30, 44 et 70 GHz), notre connaissance du ciel de 100 à 857 GHz (soit aux longueurs d’onde comprises entre 0,3 et 3 mm) a été révolutionnée.

En effet, l’instrument HFI a permis d’obtenir, pour la première fois, des cartes de tout le ciel avec une très bonne résolution angulaire dans ce domaine de “couleur”, et ce avec une sensibilité impressionnante. Seul un satellite permet de cartographier l’ensemble de la voûte céleste et, s’il est possible - voire probable - que Planck ait un jour un successeur, ces cartes resteront uniques et inégalées pendant, au moins, les vingt années à venir (mis à part une amélioration réelle mais peu perceptible à l’oeil avec les résultats de la mission complète de Planck en 2014).

Comprendre les objets astrophysiques nécessite toujours de les observer à de nombreuses longueurs d’onde. Ainsi ces cartes seront particulièrement précieuses pour les astrophysicien(ne)s étudiant la formation des étoiles ou l’évolution des galaxies, par exemple.

Pour en savoir plus :

Premiers résultats de Planck

Quel travail, quelle réalité se cachent derrière ces belles images ? Ces cartes par fréquence de HFI sont le fruit du travail d’analyse de quelques dizaines de chercheur(e)s en France, au Royaume-Uni et aux Etats-Unis.

Des cartes aux cartes

Le film Instrumentation Rayonnement fossile, du photon à la carte présente le trajet d’un photon puis du signal mesuré à travers les éléments de l’instrument HFI et du satellite. Ce signal est ensuite envoyé par télémétrie sur Terre et on voit la carte se construire presque “toute seule”. La fin de ce scénario est naturellement extrêmement schématique et la réalité est un peu plus complexe ... C’est pourquoi les cartes ont été publiées seulement deux ans environ après la fin de la mission nominale : ce n’était pas pour les garder jalousement, mais pour livrer à la communauté des produits de qualité optimale !

Sans entrer dans les détails - qui sont le sujet de pas moins de cinq articles décrivant le traitement des données de HFI (et autant pour l’instrument basse fréquence LFI), ce diagramme essaie de dresser un aperçu de l’ensemble.

Les différentes étapes décrites ci-dessus ont été améliorées au fur et à mesure des observations et des analyses qui permettaient une meilleure compréhension de la réponse des instruments. On corrige d’abord les effets principaux, on peut ensuite identifier puis mieux comprendre des effets plus fins, que l’on corrige à leur tour, pour mieux comprendre et corriger un effet encore plus fin etc ...

Le revers de la médaille d’une excellente sensibilité, c’est qu’il n’y a plus de bruit pour cacher les petits défauts. Il faut connaître la réponse de l’instrument à mieux que un pour-cent, voire un pour-mille ... Les incertitudes qui subsistent - il y en a toujours à un certain moment - sont appelées “erreurs systématiques”. Elles sont appelées ainsi car elles peuvent conduire, par exemple, à une sous-estimation “systématique” du signal, et non à un effet qui va affecter chaque mesure dans une direction aléatoire. Ces erreurs doivent être estimées, souvent à l’aide de simulations, et prises en compte dans les étapes suivantes - ou ignorées si les études montrent qu’elles sont totalement négligeables.

Cartes par fréquence, carte du rayonnement fossile : ce qui est utilisé pour faire de la cosmologie

Si la carte du rayonnement fossile est directement utilisée pour tester la gaussianité des fluctuations, l’isotropie ou la topologie de notre univers par exemple, c’est à partir des cartes par fréquence que sont calculés le spectre de puissance et les paramètres cosmologiques.

En effet, pour maîtriser au mieux les erreurs sur les paramètres cosmologiques, il s’est avéré mathématiquement plus pertinent d’utiliser les cartes par fréquence (essentiellement les cartes de HFI de 100 à 217 GHz) en les masquant de 40 à 60% et en intégrant dans le calcul des modèles pour chacune des émissions d’avant-plan résiduelles, (on ajuste en même temps des paramètres cosmologiques et des paramètres dits “de nuisance” qui quantifient ces émissions). Des membres de la collaboration ont naturellement vérifié que des résultats équivalents étaient obtenus en analysant directement la carte du rayonnement fossile.

Légende : Carte à 143 GHz de Planck-HFI en millionièmes de degré, le niveau zéro correspondant à la température moyenne du rayonnement fossile. Les zones bleu foncé sont masquées car elles sont dominées par l’émission de sources astrophysiques dans notre Galaxie ou d’autres galaxies. Ailleurs on voit directement le rayonnement fossile sur plus de 60% du ciel. A cette fréquence on a le meilleur compromis entre sensibilité et résolution angulaire. La carte à 143 GHz est un peu la base de l’interprétation cosmologique des données en température de la mission Planck - même si toutes les cartes sont nécessaires pour la meilleure estimation des paramètres cosmologiques.

Crédits : ESA - collaboration HFI