D’un Univers presque parfait au meilleur des deux mondes

L’Univers tel que nous le connaissons est issu d’une phase très dense et très chaude survenue il y a environ 13,8 milliards d’années ; mais de cette époque, il ne reste que des traces ténues. Après le Big-Bang, l’expansion de l’Univers a dilué et refroidi le contenu de l’Univers, et l’éclat aveuglant de nos origines s’est transformé en un rayonnement trop pâle et trop froid pour être visible à l’œil nu : pour l’observer, il faut des détecteurs sensibles à des grains de lumière mille fois moins énergétiques que ceux que nos yeux sont capables de voir.

L’existence de ce rayonnement, appelé assez logiquement rayonnement fossile, offre une confirmation directe du Big-Bang, mais il recèle également de nombreuses autres informations précieuses sur l’enfance de l’Univers, car si celui-ci est aujourd’hui empli de galaxies, c’est parce que la force de gravitation a lentement mais sûrement sculpté d’infimes irrégularités dans la distribution de matière, irrégularités qui se traduisent par d’infimes fluctuations dans la température du rayonnement fossile en fonction de la direction d’observation. Ces grumeaux sont en réalité d’immenses vibrations telles des sons très graves qui parcourent l’Univers, et en les observant, on peut déterminer le « bruit » que fait l’Univers, ce qui permet de déterminer sa composition, sa structure actuelle et même son âge. C’est ce défi que les scientifiques, en majorité européens, s’étaient lancés en construisant le satellite Planck.

Bien sûr, ils ne partaient pas de rien. Deux satellites de la NASA, COBE au début des années 1990 et WMAP dix ans plus tard avaient déjà commencé à cartographier le rayonnement fossile, mais avec une précision et une résolution bien moindres. Les données recueillies par ces satellites, ainsi que d’autres observations réalisées par des télescopes au sol ou embarqués par des ballons stratosphériques, indiquaient de façon très convaincante que la description de l’Univers nécessitait d’inclure deux composantes de nature aujourd’hui inconnue. D’une part, l’Univers contient une substance, probablement composée de particules jamais fabriquées ou observées en laboratoire et animées de vitesses relativement faibles, et nommée, faute de connaître sa nature, matière noire froide. Tout comme les atomes de la matière ordinaire qui composent les étoiles ou les planètes, ces particules s’attirent les unes les autres et attirent les atomes sous l’effet de la gravitation. En revanche, elles n’absorbent ni n’émettent de lumière, d’où le qualificatif de « noir ». D’autre part, l’Univers est empli d’une autre substance appelée énergie noire qui possède un effet répulsif vis-à-vis de la gravitation. C’est elle qui est responsable de l’accélération de l’expansion de l’espace observée aujourd’hui, un phénomène qui ne peut se produire si toutes les formes de matière et d’énergie qui existent s’attirent les unes les autres. Si l’existence de ces effets est avéré et les principales propriétés des entités qui en sont la cause sont bien cernées, nous n’en connaissons pas la nature exacte.

Planck a été lancé en 2009 et a collecté des données pendant trois ans et demi. C’est dans ce contexte que le 21 mars 2013, la presse scientifique du monde entier se pressait au siège de l’ESA à Paris, ou suivait à distance, tout comme une multitude de scientifiques et chercheurs tout autour du globe, pour être témoin du moment où la mission Planck de l’ESA dévoilerait son image de l’enfance du cosmos. L’analyse des données recueillies par le satellite renforçait l’image déjà largement ébauchée de l’Univers et de son histoire, un scénario appelé « modèle de concordance » du fait, déjà remarquable en lui-même, qu’il s’accommodait de l’ensemble des observations disponibles. Les données de Planck déterminaient avec une précision impressionnante les abondances de matière ordinaire, de matière noire et d’énergie noire, et fournissaient également des indices supplémentaires au sujet d’une autre question sans réponse au sujet de l’Univers primordial. Il est de plus en plus vraisemblable que l’Univers très jeune a connu pendant une infime fraction de seconde une phase d’expansion particulièrement violente appelée inflation cosmique, qui a semé les germes primordiaux de toutes les structures de l'univers et produit ces irrégularités dans la distribution de température du rayonnement fossile observées avec une précision sans précédent par le satellite européen.

Légende : Carte du rayonnement fossile en température. C’est la version 2018. À l’oeil, on ne peut pas faire la différence avec la version de 2013. Elle est cependant encore un petit peu plus précise.

Crédit : ESA - collaboration Planck

L’excellent accord entre prédictions théoriques et observations avaient amené les scientifiques de la mission Planck à résumer la situation en disant que le satellite nous avait donné à voir un Univers qualifié de « presque parfait ». Pourquoi « presque parfait » ? Parce que de très petites anomalies subsistaient, et nécessitaient une investigation plus approfondie.

L’objectif scientifique de Planck ne se résumait pas à dresser la carte la plus précise possible de la température du rayonnement fossile. Au niveau microscopique, la lumière s’avère être produite par de minuscules vibrations de champs électriques et magnétiques. Ces vibrations peuvent se faire dans des directions aléatoires, ou au contraire dans des directions privilégiées. On dit dans ce cas que la lumière est polarisée. L’intensité, la direction de cette polarisation, ainsi que la forme des motifs qu’elle produit sur la carte du rayonnement fossile révèlent aussi certains processus à l’œuvre, que ce soit au moment de l’émission de ce rayonnement fossile, 380 000 ans après le Big-Bang, ou bien plus tôt dans son histoire au moment de l’inflation primordiale, ou plus tard lorsqu’une petite partie du rayonnement fossile a interagi avec la matière à nouveau ionisée, probablement par les premières étoiles. C’est donc logiquement que le satellite Planck avait aussi été conçu pour mesurer le plus précisément possible cette polarisation.

Les premières données publiques – qui avaient conduit à cette formule d’un Univers « presque parfait » – concernaient uniquement celles de la température du rayonnement fossile, et encore n’utilisaient qu’une partie des données recueillies par le satellite, durant les quinze premiers mois de fonctionnement, soit la mission nominale. En 2015, une seconde distribution publique des données rassemblaient toutes les mesures collectées par la mission Planck : cinq cartes du ciel complet avec l’instrument hautes fréquences HFI, huit cartes du ciel complet avec l’instrument basses fréquences LFI. Température et polarisation étaient fournies, mais étaient accompagnées d’une mise en garde.

« Nous estimions que la qualité d’une partie des données polarisées n’était pas suffisante pour une exploitation cosmologique », dit Jan Tauber. Il ajoute que – naturellement – ça n'avait pas empêché les scientifiques de la mission Planck de les inclure dans certaines analyses des données, mais que les conclusions tirées de celle-ci demandaient une confirmation ultérieure et devaient donc être considérées avec précaution.

Une analyse supplémentaire des données était ainsi nécessaire pour garantir la meilleure qualité possible afin qu’elles puissent être exploitées au mieux et avec confiance par l’ensemble des chercheurs. La polarisation du rayonnement fossile produit un signal 50 à 100 fois plus faible que celui de sa température, déjà difficile à mesurer précisément, et est de surcroît 10 à 20 fois plus faible que la polarisation d'avant-plan des poussières galactiques, qui polluent donc fortement le signal qui intéresse les scientifiques. Le défi est donc de taille. Grâce à son instrument HFI notamment, le satellite Planck a malgré tout réussi à obtenir une carte très précise de la polarisation primordiale sur tout le ciel.

Légende : Carte du rayonnement fossile en polarisation. Pour des raisons de représentation graphique, on a choisi de lisser l’image à une échelle adaptée à sa taille. La carte en polarisation mise à disposition contient tout le ciel avec une résolution d’un peu moins de 3 minutes d'angle (soit un dixième du diamètre de la Pleine Lune).

Crédit : ESA - collaboration Planck

Et c’est là que réside le grand changement pour cette nouvelle série de données 2018, appelées « données héritage » puisqu’il s’agit de la version définitive des données mise en accès libre pour l’ensemble de la communauté scientifique. La plupart des indications précédentes qui appelaient à la prudence ont disparu. Les scientifiques sont à présent certains que les données de température et de polarisation recueillies par le satellite Planck sont déterminées avec précision. Et cinq années plus tard, le message reste le même qu’en 2013.

« C’est l’héritage le plus important de Planck, » dit Jan Tauber, « Project Scientist » de la mission Planck à l’ESA, « jusqu’ici le modèle de concordance de la cosmologie a survécu à tous les tests, et Planck a fait les mesures les plus contraignantes qui le montrent ».

« Maintenant nous sommes vraiment confiants dans le fait que nous pouvons déterminer le modèle cosmologique soit en se basant uniquement sur la température, soit uniquement sur la polarisation, ou sur les deux. Et tout cela est en accord », dit Jean-Loup Puget, responsable de l’instrument HFI de Planck à l’Institut d’astrophysique spatiale d’Orsay. Un accord d’autant plus précieux que si une partie des données de polarisation est quelque peu redondante avec celles de la température, une autre partie donne des informations inaccessibles autrement. En s’assurant de la parfaite compatibilité entre des deux jeux de données quand ils se recoupent, le reste des données en polarisation devient lui aussi très robuste. C’est notamment le cas des motifs à grande échelle de la carte de polarisation qui permet de mieux déterminer à quelle époque les premières étoiles se sont formées. La détermination de ces motifs est l’un des plus hauts faits de l’exploitation des données recueillies par le satellite.

Légende : Pour construire cette image, les chercheurs ont sélectionné tous les “points chauds” sur la carte du rayonnement fossile en température de Planck. Ils ont ensuite superposé toutes les petites cartes centrées sur ces points chauds extraites de la carte du rayonnement fossile en polarisation. C’est l’image de gauche. Ils ont fait le même exercice avec une simulation réalisée avec le modèle de concordance et les paramètres cosmologiques déterminés par Planck. C’est l’image de droite. Les couleurs correspondent à l’intensité du signal polarisé en millionième de degré et l’orientation des bâtonnets noirs indiquent l’angle de la polarisation. La figure est complexe. L’accord entre données et simulation est tel qu’il est, vraiment, difficile d’imaginer que ce modèle cosmologique puisse être substantiellement remis en cause…

Crédit : ESA - collaboration Planck

« Depuis 2015, des données astrophysiques supplémentaires ont été recueillies par d’autres instruments, et de nouvelles analyses cosmologiques ont été menées, combinant les observations du rayonnement fossile à petite échelle avec celles des galaxies, amas de galaxies et supernovæ pour encore améliorer la cohérence entre les données de Planck et le modèle cosmologique soutenu par Planck », dit Reno Mandolesi, responsable de l’instrument LFI de Planck à l’Université de Ferrara en Italie. Reste que l’analyse des données révèle de faibles tensions entre les résultats déduits des mesures de Planck et d’autres observations, notamment en ce qui concerne le taux d’expansion de l’Univers. Ce paramètre, appelé constante de Hubble, détermine de quelle façon l’espace « gonfle » au cours du temps, ou, de façon plus intuitive, à quelle vitesse s’éloignent de nous des galaxies situées à des distances données. Planck ne détermine pas directement cette quantité, mais la déduit très précisément à l’aide d’un modèle, à partir d’autres informations comme le contenu matériel de l’Univers qui, lui, est directement et très précisément déterminé. D’autres observations astronomiques permettent elles aussi de déterminer cette constante, et de façon plus directe puisque qu’elles mesurent la vitesse de récession des galaxies ainsi que leur distance, cette dernière étant obtenue par exemple en observant des étoiles, appelées Céphéides, dont l’éclat varie périodiquement au cours du temps et d’une façon qui dépend de leur luminosité moyenne. À l’heure actuelle, ces deux déterminations diffèrent d’environ 7% alors que les incertitudes des deux méthodes sont estimées à 1 ou 2%. Or des méthodes différentes qui ont pour but de déterminer une même quantité doivent nécessairement donner des résultats compatibles entre eux. Le désaccord signifie soit que les incertitudes entachant au moins l’une des deux estimations sont sous-évaluées, soit que le modèle d’Univers que nous utilisons pour interpréter les mesures est marginalement inexact. Or, malgré des années d’effort, aucune source d’incertitude significative supplémentaire n’a pu être trouvée …

« Il n’existe pas d’explication astrophysique unique qui puisse expliquer ce désaccord. C’est peut-être le signe d’une physique nouvelle à découvrir », explique Marco Bersanelli de l’Università degli Studi de Milan, co-responsable de l’Instrument LFI.

Par « physique nouvelle », les chercheurs entendent des particules ou des forces encore inconnues qui influencent les résultats. Mais aussi excitante que puisse être cette éventualité, il n’en reste pas moins que les résultats de Planck limitent sévèrement les possibilités de ce type, car le modèle de concordance décrit remarquablement bien la plus grande part des observations.

Légende : Notre Univers en température et en polarisation

Crédit : ESA - collaboration Planck / Canopée design by Zygoma

« Il est très difficile d’altérer le modèle standard en y ajoutant de la physique nouvelle, tout en maintenant la description ultra-précise de tout le reste que le modèle décrit si bien », résume François Bouchet, de l’Institut d'Astrophysique de Paris, co-responsable de l’instrument HFI. Autrement dit, nous ne savons pas quelle est cette physique nouvelle, mais nous savons déjà en partie ce qu’elle ne peut pas être.

« Pour le moment, il faut raison garder en ce qui concerne la découverte potentielle d’une physique nouvelle : il se pourrait très bien que cette différence relativement faible s’explique par l’effet combiné de petites imprécisions dans les mesures et d’un effet local. Mais il faut continuer à améliorer nos mesures et imaginer de meilleures façons de l’expliquer », nous dit Jan.

C’est donc l’héritage de Planck : avec un Univers presque parfait, Planck a donné aux chercheurs une confirmation éclatante de leur modèle cosmologique, mais avec quelques points particuliers qui interrogent. Les connaissances s’accumulent, les certitudes sont plus fortes, mais il reste encore des choses à découvrir. En somme, c’est le meilleur des deux mondes.