Comment ai-je pu passer à côté d'un article pareil ? Je ne vois qu'une chose... comme il a été publié le 29 juillet, j'avais l'esprit bien ailleurs, sur la dune du Pila en train de scruter le rayon vert/bleu/violet sur l'horizon atlantique... Bref, dans cette étude théorique, Abhay Ashtekar, l'un des fondateurs de la théorie de la gravitation quantique à boucles, accompagné de quelques autres physiciens théoriciens, vient juste de montrer que la gravitation quantique à boucles permet de réduire des anomalies qui sont présentes dans les données du fond diffus cosmologique mesuré par les satellite Planck (par rapport au modèle standard), alors que le modèle standard n'y apporte pas de solutions viables, ou si on préfère, peut seulement y apporter des solutions qui engendrent des tas d'autres problèmes... L'article est paru dans Physical Review Letters cet été, donc... (désolé pour le retard).
Une équipe d'astrophysiciens vient de produire la plus vaste carte des vides et des superamas de galaxies de l'Univers observable, ce qui permet de résoudre un mystère cosmologique apparu il y a 10 ans.
En ce moment même, jusqu'au 5 décembre, a lieu la conférence Planck2014 à Ferrara en Italie. Les spécialistes du fond diffus cosmologique (CMB) y discutent des dernières données analysées du satellite Planck. Alors qu'on se serait attendu à y voir la tant attendue analyse conjointe Planck-BICEP2 sur les modes B du CMB, ce ne sera hélas pas pour cette fois, mais Planck nous sert d'autres résultats toujours aussi intéressants sur les paramètres du modèle cosmologique standard, et sur des caractéristiques de la matière noire...
Carte de 30 x 30° du signal du CMB polarisé à 353 GHz. Les couleurs tracent l’émission thermique de la poussière, les reliefs dessinent le champ magnétique galactique. (ESA- collaboration Planck, mise en relief par Marc-Antoine Miville-Deschenes)
Les résultats préliminaires qui avaient été délivrés jusque là par la collaboration Planck reposaient sur les 15 premiers mois de données accumulées par le satellite et ne contenaient que des données de fluctuations de températures du rayonnement fossile. La nouveauté avec ce nouveau jeu de données est qu'il incorpore aujourd'hui des données de polarisation du rayonnement, cette fameuse polarisation, qui a été à l'origine de cette annonce en fanfare du mois de mars dernier par la collaboration BICEP2.
En fait, Planck avait commencé a publier cette année quelques cartes de la polarisation produite par la poussière galactique (mais pas dans la zone scrutée par BICEP2). Aujourd'hui, c'est une carte quasi complète de la polarisation de la poussière galactique qu'a pu montrer l'astrophysicien Nazzareno Mandolesi, de l'Université de Ferrara.
Concernant le modèle cosmologique, on peut dire que Planck vient à nouveau confirmer ce modèle, avec plus de précision. Avec deux fois plus de données, associées à de nouvelles informations fournies par la polarisation, on obtient des résultats encore plus précis pour les valeurs des paramètres cosmologiques qui soutiennent le modèle.
Il ne suffit que de six paramètres dans le modèle cosmologique standard pour ajuster les 19 pics qui apparaissent dans les trois spectres observés par Planck : spectres de puissance angulaire en température (TT), en polarisation scalaire (TE) et spectre mixte température-polarisation (EE) (voir figures ci-dessous).
Spectres de puissance mesurés par Planck (données 2014) (Collaboration Planck)
Les nouvelles valeurs affinées des principaux paramètres cosmologiques concernant le contenu énergétique de l'Univers sont les suivantes :
Matière ordinaire : 4,9%
Matière Noire : 26,6%
Energie Noire : 68,5%
La matière noire, parlons-en, car Planck, avec ses nouvelles données apporte de nouvelles contraintes sur un certain type de matière noire, savoir les WIMPs qui ont le bon goût de s'annihiler entre elles comme le fait une vulgaire matière avec son antimatière quand elle en trouve...
Ce que vous voyez sur ce graphe ci dessous, ce sont les zones exclues par ces nouvelles données de Planck dans l'espace masse-section efficace des WIMPs (zone bleue).
Credit : ESA- collaboration Planck
Regardez-bien ce graphique, vous voyez le petit carré gris en haut à droite avec trois points dedans, et qui se retrouve dans le bleu ? Et bien il s'agit de la matière noire telle qu'imaginée par les expériences AMS-02 par sa détection de positrons excédentaires mystérieux, ainsi que par les expériences Fermi et Pamela avec des mesures du même type. Et bien, leur modèle de matière noire se retrouve donc dans le bleu... il est désormais exclu par les nouvelles données de Planck, qui permettent de dire qu'il n'a pas pu y avoir de grosses quantités d'annihilations de matière noire et surtout que ce taux d'annihilation n'a pas pu changer au cours du temps cosmologique.
Cette information n'est pas une défaite, car le signal de positrons excédentaires mesurés finement par AMS-02 est bien réel, et donc aujourd'hui toujours plus mystérieux...
Carte de 30 x 30° du signal du CMB polarisé à 353 GHz. Les couleurs tracent l’émission thermique de la poussière, les reliefs dessinent le champ magnétique galactique. (ESA- collaboration Planck, mise en relief par Marc-Antoine Miville-Deschenes)
Bien sûr, Planck ne ferme pas du tout la porte à l'existence de matière noire (rappelons qu'il prédit qu'elle existe pour 26,6% de l'Univers), mais ces résultats permettent de faire le tri entre plusieurs modèles de matière noire, et la grosse nouvelle est qu'il ne s'agit visiblement pas de particules qui s'annihilent entre elles...
Et il y a un autre paramètre cosmologique que Planck a permis d'encore mieux cerner qu'auparavant, il s'agit du nombre de familles de neutrinos. Et là je peux dire que ce résultat me désespère quelque peu. Oui, Planck affirme qu'il n'y a que 3 neutrinos, et pas 4 et encore moins 5. En un mot comme en cent, les données de Planck montrent que le neutrino stérile est très très très improbable.
C'est avec une marge d'erreur 30% plus faible que précédemment qu'ils parviennent à cette valeur de 3. Par ailleurs, on peut déduire de cette valeur la masse maximale des trois neutrinos (la somme des trois masses), elle vaut 0,21 eV. L'inexistence d'un quatrième neutrino, stérile et massif, élimine également un candidat plutôt sympathique pour constituer la matière noire...
Pour finir, momentanément, on peut également évoquer un autre point qu'ont permis de préciser ces nouvelles données, il s'agit de l'époque de formation des premières étoiles. Il existait une contradiction entre ce que donnait l'ancêtre de Planck, le satellite WMAP et des observations astrophysiques de quasars notamment, BigBang+400 millions d'années pour le premier, BigBang +700 millions d'années pour les secondes. Planck vient de trancher : les quasars ont raison : c'est plutôt entre 700 millions et 800 millions d'années après la singularité initiale que seraient apparues les premières étoiles.
On n'aura peut-être pas eu notre réponse définitive sur l'existence des ondes gravitationnelles primordiales par l'analyse conjointe Planck-BICEP, mais la moisson de ces nouveaux résultats aura tout de même été fort riche.
L'anayse conjointe Planck-BICEP semble prévue pour être rendue publique en janvier 2015, aux dernières nouvelles. Quant à tous ces résultats 2014 de Planck, il seront publiés dès le 22 décembre dans Astronomy & Astrophysics. Un beau cadeau de Noël avant l'heure.
Sources :
European probe shoots down dark-matter claims
Ron Cowen& Davide Castelvecchi
Nature News, 02 december
Planck éclaire la matière noire : combien, quoi, où ?
C'est une découverte majeure qui vient d'être annoncée ce lundi 17 mars au Harvard Smithonian Center for Astrophysics à Cambridge, Massachussets. Il s'agit de la mise en évidence observationnelle de l'Inflation, et cette prouesse a pu être effectuée grâce à la détection indirecte d'ondes gravitationnelles primordiales, ce qui constitue une autre découverte exceptionnelle.
L'inflation est une époque de l'Univers imaginée théoriquement aux environs de 1980 (indépendamment) par le russe Andrei Linde et l'américain Alan Guth. Cette très brève période dans l'histoire de
l'Univers, dominée par la gravitation quantique a commencé 10-35 s après le "temps zéro". Au cours de l'inflation, l'Univers a subi une expansion
brutale et inimaginablement énorme (d'un facteur au moins de 1026...).
Schéma de l'évolution de l'Univers (Harvard Center for Astrophysics)
L'inflation permet d'expliquer les observations à grande échelle de l'Univers : pourquoi il apparaît si isotrope, comme si deux points extrêmement éloignés avaient pu être en contact causal dans des temps reculés, pourquoi la géométrie de l'espace-temps semble "plate", ce qui n'a rien d'évident a priori, et pourquoi la répartition des fluctuations du fond diffus cosmologiques sont telles qu'elles sont, avec une plus forte quantité aux petites échelles (présence d'un pic caractéristique dans le spectre de puissance).
Bien que ces éléments observationnels tendent tous à confirmer la réalité de l'inflation, il restait toujours la possibilité d'autres modèles d'évolution produisant les mêmes phénomènes sans avoir recours à l'inflation.
Le détecteur BICEP2 (Harvard Smithonian Center for Astrophysics)
Mais l'une des prédictions des théoriciens de l'inflation est qu'elle doit produire un rayonnement d'ondes gravitationnelles à cause des fluctuations quantiques de l'Univers primordial. Les ondes gravitationnelles sont, comme leur nom l'indique, des ondes, mais des ondes un peu particulières, on peut se les figurer comme étant une sorte de vibration de l'espace-temps. Les ondes gravitationnelles furent proposées par Albert Einstein lui-même et sont la dernière prédiction de la relativité générale non encore confirmée expérimentalement. Le rayonnement d'ondes gravitationnelles dites primordiales, est une signature sans équivoque de l'existence d'une ère inflationnaire.
La détection des ondes gravitationnelles, notamment celles que doivent produire des couples de trous noirs ou d'étoiles à neutrons est un champ de recherche très actif, nous avons déjà parlé ici (on peut citer les grands détecteurs interférométriques VIRGO et LIGO notamment). Concernant les ondes gravitationnelles primordiales, celles qui sont produites au cours de l'ère inflationnaire, le moyen pour parvenir à les détecter est très différent puisqu'il est indirect. Il faut pour cela observer en très grand détail le rayonnement de fond micro-onde (le fond diffus cosmologique, ou CMB, cosmic microwave background).
Les ondes gravitationnelles primordiales de l'inflation vont se trouver former une sorte de fond de rayonnement gravitationnel (ou CGB, cosmic gravitational background) et se fond d'ondes gravitationnelles va influer sur le rayonnement du CMB en modifiant sa polarisation.
La signature des ondes gravitationnelles primordiales sur le rayonnement du CMB a la particularité d'être unique. Elle produit une polarisation particulière qu'on appelle une polarisation de mode-B. Détecter sans équivoque la présence d'une polarisation de mode-B dans le rayonnement du fond diffus cosmologique induit de facto l'existence du fond d'ondes gravitationnelles primordiales, qui à son tour confirme l'existence d'une ère d'Inflation dans l'Univers primordial...
Installation de BICEP2 , à droite (Harvard CFA)
Les physiciens américains qui ont fait cette annonce cet après-midi exploitent un télescope dédié à l'observation du fond diffus micro-onde, qui est situé en Antarctique, à la base Amudsen-Scott.
Leur système de détection appelé BICEP2/Keck Array (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) est composé de plusieurs dizaines de petits récepteurs refroidis à des températures cryogéniques (ce qu'on appelle des bolomètres).
Il permet de mesurer le rayonnement du CMB avec une très bonne précision, même si il ne cartographie pas tout le ciel comme le fait le satellite Planck.
En revanche, BICEP permet d'obtenir la valeur de polarisation de mode-B avec une bien meilleure précision que ce que peut obtenir Planck (dont les physiciens sont également en train d'analyser le signal pour la mesure de la polarisation de mode B et doivent publier leurs résultats dans les semaines qui viennent...). Il existe tout de même une seconde source de polarisation du rayonnement du CMB en mode-B : le phénomène de lentille gravitationnelle qui est produit par les galaxies massives, nombreuses dans le champ de vue observé.
Mais les physiciens américains de la collaboration BICEP parviennent à nettoyer le signal de polarisation très efficacement, et obtiennent des résultats fantastiques en isolant la polarisation de mode-B primordiale.
Cette avancée exceptionnelle fournira pourquoi pas des idées au comité Nobel concerné, soit pour ces expérimentateurs de l'extrême des années 2010, soit pour les théoriciens de l'extrême des années 1980... Ou pourquoi pas les deux, un pour l'Inflation, un second pour les ondes gravitationnelles primordiales, soyons fous ! Le visage de l'Univers vient de changer.
Deux anomalies du fond diffus cosmologique observées par le prédécesseur du satellite Planck, WMAP, ont été confirmées au printemps dernier par les données de Planck, excluant de fait un biais de mesure.
L'une d'elle est une asymétrie de la température moyenne dans les hémisphères opposés du ciel (indiqués par la ligne courbe sur la figure ci-dessous, où les anomalies sont renforcées par la coloration rouge-bleu pour les rendre mieux visibles). Les températures sont légèrement plus élevées au sud de l'écliptique qu'au nord. Cela va à l'encontre des prédictions du modèle standard cosmologique qui dit que le fond diffus doit être homogène et isotrope. La seconde anomalie visible dans les données de WMAP et de Planck est un point froid qui s'étend sur une zone du ciel de l'hémisphère sud bien plus importante qu'une simple fluctuation (zone entourée ci-dessous).
Carte du CMB (ESA/Planck Collaboration)
Le rayonnement diffus cosmologique (CMB en anglais), est l'une des meilleures sondes pour explorer les très grandes structures de l'Univers. D'après le modèle de Big Bang actuelle, le fond diffus cosmologique est apparu lorsque la soupe primordiale s'est suffisamment refroidie dans l'expansion pour que les protons et les électrons puissent se combiner pour former des atomes d'hydrogène neutre et ainsi "libérer" les photons. C'était 380000 ans après l'instant initial. Si l'Univers était parfaitement homogène et isotrope, le CMB serait exactement identique partout dans toutes les directions du ciel. Mais il n'y aurait alors jamais eu de galaxies, d'étoiles et encore moins de planètes, et de grands singes bipèdes se posant des questions...
Ce sont de très petites inhomogénéités dans l'Univers primordial qui ont fini par former toutes ces structures. Et ces inhomogénéités apparaissent dans le rayonnement du fond diffus, sous forme de très petites variations de température. La température moyenne de ce rayonnement vaut 2.735 kelvins, et les plus grosses fluctuations valent environ un dix millième de kelvin.
Modèle de Bianchi de type VIIh
Ces fluctuations devraient être distribuées statistiquement de façon uniforme dans toutes les directions (on parle d'isotropie).
Mais ni WMAP ni Planck n'ont réussi à démontrer la parfaite isotropie des fluctuations du CMB, au contraire. Leurs données sont cohérentes, il existe bel et bien une anisotropie aux grandes échelles angulaires, comme si il existait une direction privilégiée.
Or, il existe des modèles dynamiques qui proposent une structure à la fois homogène, mais anisotrope. Ces modèles qui incluent une expansion anisotrope associée à une rotation globale sont appelés des modèles de Bianchi de type VIIh, d'après le mathématicien du 19ème siècle Luigi Bianchi qui a imaginé ces premiers modèles mathématiques.
Dans un modèle de Bianchi de type VIIh, c'est comme si les photons du CMB se propagent le long de géodésiques qui seraient en rotation autour d'un axe de symétrie et décalés vers le rouge du fait d'une expansion additionnelle. On aurait alors affaire à l'addition d'un cisaillement et d'une vorticité des géodésiques.
Appliqué au CMB, le modèle de Bianchi de type VIIh donne une structure extrêmement proche de la distribution observée par le satellite Planck (voir la comparaison des deux cartes ci-dessus).
Lorsqu'on soustrait la composante anisotrope du Bianchi VIIh dans la carte du CMB de Planck, on retrouve une répartition tout à fait homogène et isotrope...
Tout cela semble vraiment très séduisant, mais il y a un petit problème... Il se trouve que ce type de modèle n'est pas cohérent ni avec la théorie de l'inflation, ni avec les valeurs mesurées de la densité d'énergie de l'Univers, qui sont par ailleurs validées par les données de Planck. Alors que penser ?
Une certitude est qu'il faut très probablement abandonner le dogme de l'isotropie cosmologique. L'autre certitude est qu'il y a encore de nombreux points à creuser pour en connaître la nature et l'origine. Les données du CMB et les anomalies observées doivent en être le point d'entrée. La ressemblance troublante de la carte du modèle de Bianchi de type VIIh avec la carte de Planck n'est sans doute pas à prendre à la légère malgré les tensions qu'elle induit. C'est dans les tensions que peuvent jaillir de nouvelles idées.
La présentation en conférence de presse au siège de l'ESA vient de se terminer. La carte du CMB avec une résolution inégalée a été montrée et commentée.
Carte du CMB par Planck (ESA)
Les premières grandes conclusions à tirer sont les suivantes :
- Les données sont en excellent accord avec le modèle standard de la cosmologie, modèle incluant matière noire, énergie noire, inflation).
- Les paramètres cosmologiques ont été revus, avec une précision supérieure, ils sont les suivants :
Composition énergétique de l'Univers :
. Énergie Noire : 68.3%
. Matière Noire : 26.8%
. Matière ordinaire : 4.9%
En résumé, Planck montre qu'il y aurait un petit peu moins d'énergie noire et un peu plus de matière noire que ce qu'on estimait auparavant.
Nouvelle valeur de la Constante de Hubble : H0=67.3 +-1.2 km/s/Mpc
Age de l'Univers : 13.81 +-0.05 milliards d'années
Spectre de puissance des fluctuations de température mesuré par Planck et fit théorique (ESA)
Le spectre de puissance des fluctuations de températures (intensité des fluctuations en fonction de l'échelle angulaire, voir ci-dessus) montre un excellent accord avec la théorie aux petites échelles (angles inférieurs à 1°).
Une légère anomalie (déjà relevée par WMAP) est observée aux grandes échelles et ces écarts semblent assez localisés sur la carte du ciel, montrant une certaine anisotropie...
Carte des anomalies dans les fluctuations du CMB mesurées par Planck (ESA)
Amusons nous à comparer l'évolution des mesures du CMB, montrant des précisions toujours plus fines :
Sortez vos agendas! Les premières images durayonnement de fond cosmologique du satellite PLANCK couvrant l’ensemble du ciel seront présentées lors d’une conférence de presse au siège de l'ESA demain, le 21 mars. A ne pas rater si vous pouvez la suivre!
La conférence de pressese tiendra de 10h à 12h.
Deuxséances d'informationsont accessibles en streaming : - La matinéesera accessible en directsur le portailprincipal de l'ESA : www.esa.int - L'après-midi,via le portailscientifique de l'ESA : http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science
D'autre part, un séminaire sspécialement dédié aux résultats de cette cartographie unique du CMB aura lieu
Ce que vous voyez là, c'est notre Univers, dans son enfance. Il est âgé ici de 375000 ans seulement. Cette image est le résultat de 9 années de prises de données par WMAP sur le fond diffus cosmologique, le rayonnement micro-ondes qui nous baigne. Cette lumière est la première lumière de l'Univers, celle qui a pu s'échapper de la soupe primordiale devenue transparente.
NASA/WMAP Science Team
Le satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) a été lancé en 2001 et a pris sa retraite en 2010. Mais c'est aujourd'hui que les scientifiques exploitant ses données ont publié l'image définitive du fond diffus vu par WMAP durant ses 9 années de service.
Chaque petite variation de couleur que vous voyez sur cette carte est une infime variation de température, qui correspond aux fluctuations énergétiques qui étaient celles de l'Univers 375000 ans après le BigBang.
WMAP (NASA)
De manière remarquable, les mesures de précision effectuées
par WMAP sur les propriétés de ces fluctuations semblent confirmer des prédictions
spécifiques de la version la plus simple de la théorie de l’inflation : les
fluctuations de densité suivent une courbe en cloche avec les mêmes propriétés
sur l’ensemble du ciel : il y a un nombre égal de points chauds et de
points froids sur la carte de WMAP. Ces données confirment également les
prédictions disant que l’amplitude des variations de densité (c'est-à-dire de
température) aux grandes échelles doivent être légèrement plus grandes que
celles observées aux petites échelles.
WMAP avait suivi les travaux pionniers du satellite COBE, et comme lui à l'époque, il est aujourd"hui remplacé et heureusement supplanté par un satellite beaucoup plus performant, le bien nommé PLANCK, qui est à l'heure où vous lisez ces lignes en train d'enregistrer le fond diffus cosmologique pour produire une nouvelle carte, qui promet des détails encore plus inouïs sur la petite enfance de notre Univers.
