Comment le satellite astronomique de Planck a changé pour toujours notre perception de l'univers

Détailler la lueur résiduelle du Big Bang n'a cessé d'augmenter grâce à de nouvelles images satellites. Les derniers résultats finaux du satellite Planck nous donnent l'image la plus précise de l'univers.

Plus de 50 ans se sont écoulés depuis le moment où l'humanité a découvert un flux uniforme de rayonnement micro-ondes de faible énergie provenant de toutes les parties du ciel. Il ne vient pas de la Terre, ni du Soleil, ni même de la Galaxie; il vient d'endroits en dehors de toute étoile ou galaxie que nous ayons jamais observée. Et même si ses découvreurs ne savaient pas d'abord ce qu'il voulait dire, un groupe de physiciens situés non loin d'eux développait déjà une expérience pour rechercher précisément cette caractéristique: la lueur résiduelle théorique du Big Bang.

Au début, on l'appelait la boule de feu primordiale, puis nous l'avons appelée rayonnement relique (RI) [ ou fond micro-ondes cosmique, fond micro-ondes cosmique (CMB) / env. perev. ], et ses propriétés ont déjà été mesurées dans les moindres détails. L'observatoire le plus avancé de ses propriétés jamais mesuré est le satellite astronomique Planck de l' Agence spatiale européenne , lancé en 2009. Le satellite a collecté un ensemble complet de données pendant plusieurs années, et les scientifiques viennent de terminer et de publier leur analyse finale. Et voici comment il a changé à jamais notre vision de l'univers.


La luminescence résiduelle du Big Bang, RI, n'est pas homogène et présente de nombreuses infimes imperfections et fluctuations de température de l'ordre de plusieurs centaines de microkelvinvin. Et bien que cela joue un rôle important dans la période après la croissance gravitationnelle, il est important de se rappeler que dans l'Univers primitif, ainsi que dans l'Univers à grande échelle de nos jours, les hétérogénéités atteignent des valeurs de seulement 0,01%. Planck a découvert et mesuré ces fluctuations avec une précision qui n'était pas disponible auparavant.

Cette photographie de l'enfance de l'univers, qui montre la lumière émise alors qu'elle n'avait que 380 000 ans, est la meilleure de toutes. Au début des années 1990, le satellite COBE nous a donné la première approche, une carte RI pour le ciel entier avec une résolution d'environ 7 degrés. Il y a environ 10 ans, WMAP a pu augmenter la résolution d'un demi-degré.

Et Planck? Plank est si sensible que ses limites ne sont pas causées par des instruments capables de travailler avec une résolution allant jusqu'à 0,07 °, mais par l'astrophysique fondamentale de l'Univers lui-même! En d'autres termes, à ce stade du développement de l'Univers, il est impossible d'obtenir une image meilleure que celle de Planck. Augmenter la résolution ne vous donnera pas plus d'informations sur l'espace.


COBE, le premier satellite RI, a mesuré les fluctuations avec une résolution de 7º. WMAP a réussi à améliorer la résolution à 0,3 ° dans cinq gammes de fréquences différentes, et Planck a pris des mesures avec une précision allant jusqu'à 5 minutes de l'angle (0,07 °) sur neuf gammes de fréquences différentes.

De plus, Planck a pu mesurer ce rayonnement et ses fluctuations dans un plus grand nombre de gammes de fréquences (au total, sur neuf) que n'importe quel autre des satellites précédents. COBE avait quatre gammes (et seulement trois utiles) et WMAP en avait cinq. Le COBE pourrait mesurer des fluctuations de température pouvant atteindre 70 μK; Planck a pu améliorer la précision à 5 μK.

La haute résolution, la capacité de mesurer la polarisation de cette lumière et les différentes gammes de fréquences nous ont aidés à mieux comprendre, mesurer et soustraire les effets produits par la poussière dans notre Galaxie. Pour comprendre l'éclat résiduel du Big Bang, il est nécessaire d'étudier avec une précision égale les effets qui peuvent polluer le signal souhaité. Cette étape devait être effectuée avant de récupérer toute information cosmologique.


La carte complète des poussières de la Voie lactée obtenue par Planck montre une carte bidimensionnelle à basse résolution de la répartition des poussières dans la Galaxie. Ce «bruit» doit être soustrait pour recréer notre signal cosmique préhistorique de fond.

Ayant reçu le signal complet du début de l'Univers, il peut être analysé et toutes les informations possibles extraites. Cela signifie extraire des fluctuations de température se produisant à grande, moyenne et petite échelle, des informations telles que:

• la quantité de matière normale, de matière noire et d'énergie noire dans l'univers,
• quelle était la distribution initiale et le spectre des fluctuations de densité,
• quelles sont la forme et la courbure de l'univers.

Les valeurs de température aux points chauds et froids, ainsi que leur échelle, indiquent la courbure de l'Univers. Le meilleur de nos dimensions nous donne un univers plat. Les oscillations acoustiques baryoniques et les IR fournissent ensemble les meilleures méthodes pour limiter l'erreur de cette mesure à 0,1%.

Ce qui se passe à différentes échelles ne dépend pas les uns des autres, mais cela dépend grandement de la composition de l'Univers. Nous pouvons également étudier les propriétés de polarisation de ce rayonnement, et obtenir encore plus d'informations, par exemple:

• lorsque la réionisation de l'Univers a eu lieu (et, par conséquent, la formation des étoiles a atteint un certain seuil),
• y a-t-il eu des fluctuations qui ont dépassé l'échelle de l'horizon,
• peut-on voir le résultat de l'action des ondes gravitationnelles,
• la quantité et la température des neutrinos à la fois

et bien plus. Bien que la température RI que nous avons obtenue reste au niveau de 2,725 K, nous en savons beaucoup plus depuis plusieurs décennies. Compte tenu de tout cela, c'est ainsi que Planck a changé à jamais notre compréhension de l'univers.


Les données du satellite Planck, ainsi que des ensembles de données supplémentaires, nous ont donné des restrictions très strictes sur les valeurs possibles des paramètres cosmologiques. En particulier, le taux d'expansion de Hubble variait de 67 à 68 km / s / Mpc.

Il y avait plus de matière dans l'Univers et son taux d'expansion était inférieur à ce que nous pensions. Avant Planck, nous pensions que dans l'Univers il y avait 26% de matière et 74% d'énergie sombre, et la vitesse d'expansion était d'environ 70 km / s / Mpc.

Et maintenant?

Dans l'Univers, 31,5% de la matière s'est révélée être (dont 4,9% est normal et le reste est sombre), 68,5% est de l'énergie sombre et la vitesse d'expansion est de 67,4 km / s / Mpc. De plus, la vitesse a une si petite erreur (~ 1%) qu'elle entre en conflit avec les mesures effectuées sur la base de l' escalier spatial des distances , à partir duquel la vitesse est de 73 km / s / Mpc. C'est peut-être la plus grande contradiction de toutes concernant le concept moderne de l'univers.


L'ajustement du nombre d'espèces de neutrinos nécessaire pour faire correspondre les données sur les fluctuations de RI. Ces données correspondent à un fond de neutrinos avec une température équivalente énergétiquement à 1,95 K, ce qui est bien inférieur à celui des photons à rayons X. Les résultats récents de Planck indiquent également clairement trois types de neutrinos légers.

Nous avons appris de Planck qu'il n'y a que trois types de neutrinos et que la masse de chaque espèce ne peut pas dépasser 0,4 eV / s ² : elle est 10 millions de fois plus petite qu'un électron. On sait que la température cosmique de ces neutrinos correspond à 72% de la température / énergie cinétique des photons RI; s'ils n'avaient pas de masse, alors leur température serait aujourd'hui de 2 K.

Nous savons également que l'Univers est très, très plat en termes de courbure spatiale globale. En combinant les données de Planck avec des données sur la formation de structures à grande échelle, nous pouvons établir que la courbure de l'Univers ne dépasse pas 1/1000, c'est-à-dire que l'Univers ne se distingue pas de parfaitement plat.


Les fluctuations du RI sont basées sur les principales fluctuations produites par l'inflation. En particulier, la partie plate du graphique à grande échelle (à gauche) ne peut être expliquée sans inflation. Une ligne droite indique les germes à partir desquels le modèle de creux et de pics apparaîtra au cours des 380 000 premières années de l'Univers, en supposant que n _s = 1. Le spectre réel des données de Planck donne une petite mais importante déviation: n _s = 0,965

Nous avons également aujourd'hui la meilleure preuve que les fluctuations de densité correspondent parfaitement aux prédictions de la théorie de l'inflation cosmique. Les modèles d'inflation les plus simples prédisent que les fluctuations avec lesquelles l'Univers est né étaient les mêmes à toutes les échelles, et à grande échelle, elles étaient légèrement plus fortes que sur les petites.

Pour Planck, cela signifie que l'une des quantités qu'il peut dériver, n _s , devrait être presque 1, mais être légèrement inférieure à cela. Les mesures de Planck sont devenues les plus précises de toutes et l'inflation parfaitement confirmée: n _s = 0,965, avec une erreur inférieure à 0,05%.


Les données de Planck seules ne donnent pas de restrictions très strictes sur l'équation d'état de l'énergie sombre. Mais si vous les combinez avec un ensemble complet de données sur les structures à grande échelle et les supernovae, nous pouvons certainement démontrer que l'énergie sombre s'intègre extrêmement bien dans le cadre d'une constante cosmologique pure (l'intersection de deux lignes en pointillés).

Il y a aussi la question de savoir si l'énergie sombre est une constante vraiment cosmologique, et elle est très sensible à la fois au RI et aux données des coins les plus éloignés de l'Univers - par exemple, les supernovae de type Ia. Si l'énergie sombre est une constante cosmologique idéale, alors son équation d'état, spécifiée par le paramètre w, doit être exactement égale à -1.

Valeur mesurée?

Nous avons trouvé que w = -1.03, avec une erreur de 0,03. Aucune preuve en faveur d'autres options n'est observée, c'est-à-dire que la Big Compression et le Big Gap ne supportent pas ces données.


Nos meilleures mesures des ratios de la quantité de matière noire, de matière normale et d'énergie noire dans l'Univers aujourd'hui, et comment ils ont changé en 2013: avant Planck et après la publication des premières données Planck. Le résultat final obtenu de Planck n'est pas différent de plus de 0,2% du premier.
Gauche - avant, juste - après. En conséquence, nous avons 68,3% d'énergie noire, 26,8% de matière noire et 4,9% de matière ordinaire

D'autres valeurs ont un peu changé. L'univers est un peu plus ancien (13,8 au lieu de 13,7 milliards d'années) que nous ne le pensions auparavant; la distance au bord de l'Univers observé est légèrement inférieure (46,1 au lieu de 46,5 milliards d'années-lumière) à ce que WMAP a montré; les restrictions sur l'ampleur de la vague gravitationnelle créée par l'inflation se sont légèrement améliorées. Le paramètre du rapport tenseur-scalaire, r, à Planck a été limité par le haut par une valeur de 0,3. Maintenant, avec les données de Planck sur les structures à grande échelle et d'autres expériences (par exemple, BICEP2 et le massif du Keck), nous pouvons dire avec confiance que r <0,07. Cela exclut plusieurs schémas d'inflation précédemment considérés comme possibles.


La verticale est le rapport du tenseur au scalaire ®, l'horizontale est l'indice spectral scalaire (n _s ), déterminé par Planck et les données sur les supernovae et les structures à grande échelle. Notez que si n _{s est} bien borné, cela ne peut pas être dit à propos de r. Il est probable que r se révélera extrêmement petit (jusqu'à 0,001 ou même moins). Les limites de Planck, bien que les meilleures disponibles, ne sont toujours pas suffisantes.

Et maintenant, avec toutes ces données, quelles idées sur l'Univers et ses composants peut-on dire «oui», et lesquelles «non»?

• Oui - l'inflation, non - aux ondes gravitationnelles qui la suivent.
• Oui - avec trois neutrinos super légers du modèle standard, non - avec des extensions.
• Oui - une expansion légèrement plus lente, un Univers plus ancien, non - aucune preuve de courbure spatiale.
• Oui - un peu plus de matière noire et de matière normale, oui - un peu moins d'énergie noire.
• Non - l'énergie sombre changeante, le grand écart et la grande compression.

Les résultats finaux de la collaboration Planck démontrent une correspondance extrêmement exacte entre les prédictions de la cosmologie et l'abondance d'énergie sombre et de matière noire (ligne bleue) avec des données (points rouges et erreurs noires). Les 7 pics acoustiques correspondent parfaitement aux données.

Plus important encore, il existe une cohérence énorme avec une précision sans précédent entre le RI observé et les prédictions théoriques du comportement de l'Univers avec 5% de matière normale, 27% de matière noire et 68% d'énergie sombre. Certaines de ces valeurs peuvent fluctuer de 1 à 2%, mais l'Univers ne peut exister sans de grandes quantités de matière noire et d'énergie sombre. Ils sont réels, ils sont nécessaires et leurs prévisions correspondent parfaitement à l'ensemble des données.

L'inflation, la physique des neutrinos et le Big Bang ont reçu une confirmation supplémentaire, et les alternatives et options spéciales sont devenues plus limitées. Certainement, comme l'écrit la collaboration Planck, "Nous n'avons pas trouvé de preuves convaincantes de la nécessité d'étendre le modèle lambda-CDM de base." Enfin, nous pouvons affirmer avec une extrême confiance en quoi l'Univers est fait.