(MàJ 30/01/15) BICEP 2 : Découverte du 17 mars 2014 sur le Big Bang : Décryptage

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Mardi 18 mars 2014 : En regardant les actualités, vous avez probablement entendu dans les grands titres : « Découverte majeure dans la connaissance de l’univers / du big bang /  de l’inflation ».

A grands coups de « spécialistes » maison, les chaines de télé, de radio, ont tenté de nous expliquer la teneur de cette découverte. Force est de constater que la cosmologie est une science obscure : A la fin du reportage, rares sont ceux qui ont compris la nature exacte du tour de force réalisé par les scientifiques.

Pas de panique, nous allons tout reprendre depuis le début, en évoquant et en simplifiant les grandes théories et découvertes du siècle dernier ayant abouti à cette découverte.

Un peu d’histoire

Des théories

En 1915, Albert Einstein publie sa célèbre théorie de la relativité générale. Cette théorie crée pour la première fois un lien direct entre temps, gravitation et espace. En 1922, un jeune physicien et mathématicien russe, Alexandre Friedmann, comprend que la théorie de la relativité générale permet de décrire la structure de l’univers dans son ensemble. Il va même plus loin. Les équations d’Einstein lui permettent d’entrevoir la possibilité d’un univers non-statique et en expansion qu’il décrit dans un article publié en juin 1922.

Un univers en expansion

Parallèlement, l’astronome américain Edwin Hubble, depuis l’observatoire du Mont Wilson qui abrite le plus puissant télescope de l’époque (2,5 m), prouve que certaines des nébuleuses observées sont en réalité des galaxies, et ne font donc pas partie de la voie lactée. Il annonce sa découverte le 30 décembre 1924.

En 1929, il fit une autre découverte capitale. Plus les galaxies sont éloignées de nous, plus elles s’éloignent vite. Les positions des galaxies ne changent pas par rapport à l’univers. C’est l’univers lui-même qui grandit.

Hubble prouve ainsi de façon irréfutable que l’univers est en expansion.

Le Big Bang

Au début des années 1930, fort des découvertes de Hubble et inspiré par les travaux initiés par Friedmann, le chanoine Georges Lemaitre publie l’hypothèse de l’atome primitif. Cette hypothèse introduit une idée révolutionnaire : L’univers étant en expansion, il avait dû être dans le passé bien plus petit, plus dense et plus chaud. En remontant suffisamment loin dans le temps, l’univers devait se concentrer en un point, l’atome primitif. Bien qu’il ait été démontré par la suite que l’existence de l’atome primitif en lui même était inexacte, la science prouva l’exactitude d’un univers très dense et chaud aux premiers temps de son existence. L’hypothèse de l’atome primitif fut rebaptisée plus tard théorie du Big Bang.

Le rayonnement cosmologique

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1965 : 34 années se sont écoulées depuis la publication de l’hypothèse de l’atome primitif, et son univers dense et chaud.

Les astronomes Arno Penzias et Robert Wilson ont utilisé une antenne servant à l’origine à communiquer avec les satellites pour la transformer en radio-télescope. Le but étant de mesurer les ondes émises par notre galaxie, la voie-lactée.

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Lors de l’étalonnage de l’antenne, ils observent un « bruit » constant sur l’ensemble de la sphère céleste. Calculs effectués, ils constatent que ce signal uniforme correspond à une température de 2,7K (-270,4°C). Ainsi, l’univers, où que l’on regarde, a une température de 2,7K.

Ce signal correspond au résidu des hautes températures et haute densité de l’univers peu après le Big Bang. La matière s’est dilatée et refroidie avec l’expansion de l’univers, et c’est cette empreinte que Penzias et Wilson ont découverte. Elle a été nommée fond diffus cosmologique, et parfois rayonnement fossile.

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Crédits : NASA

La cartographie de ce signal montre un rayonnement uniforme (la bande blanche correspond à l’absorption du signal par notre galaxie).

L’univers est donc, au niveau macroscopique, totalement homogène.

Penzias et Wilson seront récompensés de leur découverte en 1978 par l’attribution du prix Nobel de physique.

La barrière des 380 000 ans. 

L’étude de ce fond diffus cosmologique permet ainsi d’observer directement les tout premiers instants de l’univers.

Les scientifiques ont déterminé que ce signal a été émis lorsque l’univers était âgé de seulement 380 000 ans. 380 000 ans peut sembler élevé. Mais l’univers est aujourd’hui âgé de 13.7 milliards d’années.

En relativisant à l’échelle humaine, on se rend mieux compte du très jeune âge qu’avait l’univers lors de l’émission du fond diffus cosmologique que l’on observe. « Tout modestement », je vais me comparer à l’univers… J’ai aujourd’hui 35 ans. Si j’étais l’univers, j’aurais émis mon fond diffus cosmologique alors que je n’avais même pas 8 heures. On observe donc bien les tout débuts de l’univers en observant le fond diffus cosmologique.

Mais pourquoi cette barrière de 380 000 ans ?

L’univers primitif, avant l’âge de 380 000 ans, est extrêmement chaud et extrêmement dense. Avant cela, l’univers était tellement dense qu’il était composé d’un plasma d’éléments. Chaque photon interagissait presque immédiatement avec une autre particule. L’Univers était totalement opaque.

A compter de 380 000 ans, les éléments constitutifs de la matière ont été suffisamment stables pour permettre aux photons de se libérer dans toutes les directions. C’est le rayonnement qui a pu se libérer à cette époque que Penzias et Wilson ont découvert en 1965.

Un problème de (petite et de grande) taille

Subsiste une question que vous ne vous êtes probablement pas posée, et que je pose donc à votre place.

Si l’univers était parfaitement homogène à 380 000 ans, comment la matière s’est elle agrégée en galaxies, étoiles, planètes ?

Il devait y avoir d’infimes fluctuations de densité au sein de ce jeune univers, visibles aujourd’hui sous forme de variations de température au sein du fond diffus cosmologique, qui ont ensuite permis à la matière de s’agréger.

Afin de mesurer ces infimes variations de température présentes au sein du fond diffus cosmologique, il a été nécessaire d’améliorer la précision des instruments de mesure.

La course à la précision

COBE

Le 18 novembre 1989, la NASA met en orbite le satellite Cosmic Background Explorer (COBE). Ce radio-télescope spatial a été spécialement conçu pour mesurer les fluctuations du fond diffus cosmologique.

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COBE mesura plus précisément la température du fond diffus cosmologique à 2,728K, mais surtout, après 3 années de mesures, il fut capable de dresser une carte confirmant les fluctuations du fond diffus cosmologique.

Ces fluctuations de température restent infimes (univers homogène au niveau macroscopique) mais bien réelles.

Ces fluctuations sont donc à l’origine de l’agrégation de la matière, menant à la formation des galaxies, des étoiles, des planètes, puis de la vie.

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Crédits : NASA

George Smoot et John C. Mater, deux membres de l’équipe en charge de COBE, furent récompensés pour ces travaux par l’attribution du prix Nobel de physique en 2006.

WMAP

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La NASA lança la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) le 30 juin 2001.

Après 9 ans de mesures, WMAP apporta une cartographie 68 000 fois plus précise que COBE. Il mesura également la polarisation de ce rayonnement. Nous y reviendrons plus tard.

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Crédits : NASA / WMAP Science Team

PLANCK

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L’agence spatiale européenne (ESA) s’est aussi lancée dans l’étude du fond diffus cosmologique.

Le 14 mai 2009, une fusée Ariane V met en orbite le satellite PLANCK.

Après plus de 4 ans de mesures, celui-ci dressa une carte 20 fois plus précise que WMAP, montrant de manière très détaillée les fluctuations du fond diffus cosmologique.

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Crédits : ESA

La mission de Planck s’est achevée le 23 octobre 2013.

L’inflation

Après 50 ans d’observations, nous avons atteint un très grand niveau de précision sur les mesures de température du fond diffus cosmologique, ainsi que sur ses fluctuations.

Ces fluctuations de température, révélant des variations de densité dans le jeune univers âgé de seulement 380 000 ans, nous permettent de comprendre comment se sont formées les galaxies.

Comme nous l’avons vu plus haut, l’univers est homogène au niveau macroscopique, mais il existe des fluctuations.

Comment l’expliquer ?

Dans les années 70, une théorie est apparue afin de répondre, entre autres, a cette question. Cette théorie est nommée théorie de l’inflation cosmique.

Elle affirme qu’extrêmement tôt dans la vie de l’univers, lorsque celui-ci était âgé de seulement 10-35 seconde, il a connu une phase d’inflation phénoménale. A tel point que cette inflation aurait pu rendre l’univers quasiment infini, presque immédiatement.

Selon la théorie du big bang, cet univers primordial serait concentré dans un minuscule volume, un peu à la manière de l’atome primitif  imaginé par Lemaître.

L’homogénéité macroscopique serait due à « l’étirement » de ce minuscule univers primordial, diluant ainsi les milliards de degrés pour atteindre les 2.7K que nous observons aujourd’hui uniformément.

Et l’origine des fluctuations alors ? L’inflation propose aussi une réponse séduisante. Selon les lois de la physique quantique, la matière à de très hautes densités et à de très hautes énergies ne peut pas être parfaitement homogène. De minuscules variations de densité apparaissent au niveau microscopique. La matière apparaît et disparaît aléatoirement. C’est la fluctuation quantique. La phase d’inflation de l’univers ayant étendu dans des proportions gigantesques ces minuscules fluctuations quantiques, celles-ci seraient désormais visibles à des échelles bien plus grandes, ou pour aller droit au but, aux échelles observées par les satellites de la NASA ou de l’ESA.

Depuis 30 ans, les physiciens essaient de prouver la véracité de cette théorie. Si l’inflation a bien eu lieu, elle a laissé un certain nombre de traces observables. Sans entrer dans les détails, toutes les prédictions de l’inflation ont pu être vérifiées, sauf une : Les ondes gravitationnelles.

A moment de l’inflation, la théorie de la relativité générale prévoit que l’espace lui-même se déforme sous l’influence des ondes gravitationnelles.

La détection de ces ondes gravitationnelles n’est pas chose aisée. Mais encore une fois, c’est au niveau du fond diffus cosmologique que les scientifiques ont tenté de trouver des indices. La théorie de la relativité générale prévoit que la création d’ondes gravitationnelles au moment de l’inflation aurait laissé son empreinte sur le fond diffus cosmologique en créant une polarisation caractéristique d’un angle de 45° au niveau des fluctuations.

BICEP2

Une fois n’est pas coutume, c’est avec un observatoire terrestre que les scientifiques ont décidé d’étudier une caractéristique particulière du fond diffus cosmologique : La polarisation.

Voila quelque chose que vous connaissez ! La polarisation de la lumière est par exemple utilisée au cinéma, pour produire l’effet 3D que vous pouvez voir avec des lunettes.

Afin de détecter cette polarisation du fond diffus cosmologique, l’université de Harvard a lancé en antarctique l’expérience Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP).

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BICEP2 est un des deux instruments installé sur la base Amudsen-Scott (à droite sur la photo). Il s’agit d’un radio-télescope travaillant dans les ondes millimétriques, spécialement conçu pour étudier cette polarisation. L’intérêt de placer cet instrument au pôle sud est double : Air particulièrement sec et possibilité d’étudier toute l’année une même région du ciel.

Contrairement au satellite Planck qui étudie l’ensemble de l’univers visible, BICEP2 s’est focalisé sur une toute petite région de la voûte céleste.

Encore une fois, 3 ans de mesures ont été nécessaires pour aboutir au résultat publié le 17 mars 2014.

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Crédits : BICEP2 Collaboration

Le schéma représente le fond diffus cosmologique sur la partie du ciel observée par BICEP2, avec ses fluctuations de température. Mais pas seulement : Les barres noires représentent la polarisation du signal.

Et c’est ici que se situe LA découverte annoncée au monde entier le lendemain. Environ 15% de cette polarisation est orientée à 45° (polarisation B-mode), comme le montre ce zoom.

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Cette observation constitue(rait) donc une avancée majeure dans le domaine de la cosmologie et dans la connaissance de notre univers.

Premièrement, l’existence de cette polarisation à 45° au niveau du fond diffus cosmologique prouve(rait) l’existence des ondes gravitationnelles.

Ensuite, il nous a(urait) permis d’observer l’univers bien plus tôt. Nous savons que les ondes gravitationnelles ont été émise lorsque l’univers était âgé de 10-35 seconde. C’est la signature de ces ondes sur le fond diffus cosmologique que l’on observe. Nous observons alors directement un phénomène datant du premier millionième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde de l’univers, alors que nous étions limités jusqu’à ce jour à « seulement » 380 000 ans.

Mais surtout, l’effet de ces ondes gravitationnelles sur le fond diffus cosmologique, observé pour la première fois, valide(rait) de façon quasi certaine la théorie de l’inflation.

Cette découverte nécessite encore d’être étayée par les observation du satellite Planck (d’ici moins d’un an) et pourrait permettre, si elle est confirmée, d’apporter un nouveau prix Nobel de physique à la cosmologie (aux scientifiques ayant mené l’observation et/ou aux cosmologistes à l’origine de la théorie de l’inflation).

Dernières nouvelles :

Mise à jour décembre 2014 :  Cette découverte par BICEP2 est remise en cause. La polarisation pourrait résulter de poussières galactiques, et non des ondes gravitationnelles. L’équipe de BICEP2 elle-même a reconnu qu’il fallait attendre une confirmation qui sera réalisée en fin d’année 2014 par l’équipe « concurrente » européenne qui utilise le satellite Planck. Planck a montré que la zone d’observation de BICEP-2 contient des poussières galactiques susceptibles de polariser la lumière d’un facteur au moins aussi grand que les résultats de BICEP-2.

Crédits : ESA /Planck

Crédits : ESA /Planck

La zone d’analyse de BICEP-2 est représentée en noir sur la carte. Les couleurs correspondent au signal émanant de la poussière galactique. En rouge les zones les plus perturbées, en bleu les moins perturbées. Les zones vertes ont un signal de l’ordre de celui relevé par BICEP-2.

Il est donc pour le moment difficile de confirmer ou d’infirmer le fait que la polarisation observée par BICEP-2 soit la résultante d’ondes gravitationnelles.

Mise à jour 30 janvier 2015 : 

Le dénouement du feuilleton BICEP2 / PLANCK a été révélé par le CNRS.

La conclusion de cet article : Les ondes gravitationnelles n’ont pas été détectées par BICEP-2. La polarisation « B-MODE » observée correspond aux effets de lentille gravitationnelle générés par la matière présente sur le chemin entre le fond diffus cosmologique et les instruments de mesure.

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Crédits : ESA / Collaboration Planck

La quête des ondes gravitationnelles continue donc !