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WMAP LA REPONSE

Le bilan des analyses de toutes les observations du rayonnement fossile faites au fil des années par WMap vient d’être publié.

Toujours favorable à un univers à la géométrie plate dominé par une constante cosmologique, ce bilan renforce la théorie de l’inflation cosmique proposée la première fois par le cosmologiste russe Alexei Starobinsky.

Il a fallu attendre 1965 pour que l’on détecte par hasard le rayonnement fossile, les photons les plus vieux de l’univers observable, datant d’une époque où celui-ci n’avait pas encore formé d’étoiles. Cette découverte fut considérée comme la première preuve convaincante en faveur de la théorie du Big Bang, et cela ne s’est jamais démenti jusqu’à nos jours.

Bien au contraire, l’existence de cette lumière fossile, entrevue par Lemaître et Gamow mais véritablement théorisée par Ralph Alpher et son collègue Robert Herman, s’est révélée une extraordinaire fenêtre sur l’histoire primitive, la structure et le contenu du cosmos observable grâce aux observations de Cobe et WMap.

Les observations de WMap en particulier permettent de tester plusieurs prédictions de la théorie du Big Bang et de les confronter à d’autres mesures, comme celles venant des supernovae ou de la composition chimique des galaxies.

WMap et les paramètres cosmologiques

De la mesure des fluctuations de température et de polarisation du rayonnement fossile sur la voûte céleste, on peut déduire par exemple l’âge de l’univers, sa courbure spatiale, quand les premières étoiles se sont allumées et son contenu en matière et en énergie. Ces fluctuations de températures sont infimes mais on peut les faire apparaître sur des cartes comme celle que viennent finalement de publier les membres de la mission WMap, couronnant neuf années d’observations.

capture24-14.jpgLa dernière carte du rayonnement fossile dressée grâce aux observations de WMap. Les zones en bleu sont plus froides que les zones en rouge. La résolution de l’image est meilleure que pour la précédente carte établie par WMap. Les fluctuations de température y sont presque invariantes d'échelle et gaussiennes à la précision des mesures

Dans l’un des articles déposés sur arxiv, on peut prendre connaissance des dernières estimations des paramètres cosmologiques obtenues à partir des observations de WMap (et parfois en les combinant avec d'autres) portant, par exemple, sur les oscillations acoustiques des baryons (BAO pour baryon acoustic oscillations en anglais).

Ainsi, l’âge de l’univers observable a été mesuré à 1 % près et il est estimé à 13,77 milliards d’années. Alors que la matière noire était dominante au début de l’expansion de notre univers, elle ne constitue plus de nos jours que 24 % de la densité du cosmos, évincée par l’énergie noire avec ses 71,4 %. Il ne reste plus à la matière baryonique normale qu’une part congrue de 4,6 %, dont la moitié environ reste à découvrir. 

capture25-14.jpgLa nouvelle composition de l'univers observable selon WMap 9 en 2012. L'énergie noire est toujours bien présente.

En utilisant les dernières observations de WMap, éventuellement jointes avec d’autres (BAO, supernovae), il est toujours possible d’ajuster les paramètres d’un modèle cosmologique standard contenant de la matière noire et de l’énergie noire de telle sorte que sa courbure soit positive, comme dans le cas du modèle fini proposé par Jean-Pierre Luminet et ses collègues, et avec une énergie noire variant lentement dans le temps. Mais il faut bien dire qu’en l’état, la géométrie de l'univers observable apparaît très proche de celle d'Euclide. Enfin, l’énergie noire ne semble pas se comporter autrement que comme une véritable constante cosmologique.

WMap et l'inflation

Un univers plat, c’est justement l’une des prédictions faites à partir de la théorie de l’inflation cosmique développée depuis le début des années 1980 par différents chercheurs. Cette théorie prévoit que peu de temps après le temps de Planck (donc après l’ère dominée par la gravitation quantique), le cosmos a subi une phase d’expansion extraordinairement forte et rapide, de sorte que la partie observable aujourd’hui n’en constitue qu’une fraction peut-être ridiculement petite.

La théorie de l’inflation fait d’autres prédictions en ce qui concerne l’univers, notamment au niveau des spectres des fluctuations de température et de polarisation du rayonnement fossile. Elle les relie à des fluctuations de densité et du champ de gravitation sous formes d’ondes gravitationnelles dans l’univers très primitif.

capture26-14.jpgLa nouvelle chronologie de l'univers observable selon WMap. Le rayonnement fossile a été émis 375.000 après le Big Bang. Le cosmos est âgé de 13,77 milliards d'années, et les premières étoiles se sont allumées environ 400 millions d'années après le temps zéro. Ce sont des fluctuations quantiques, agrandies par l'inflation, qui seraient à l'origine des galaxies.

Il existe actuellement un très grand nombre de théories de l’inflation. Mais elles partagent des prédictions génériques en commun sur les fluctuations du rayonnement fossile. Toutefois, des différences permettent parfois de départager ces théories (voire par exemple l'excellent article d'introduction de William H. Kinney sur la théorie de l'inflation). Certaines des prédictions génériques ont été vérifiées par Cobe et surtout les précédentes mesures de WMap. Stephen Hawking considère d’ailleurs que ces tests de la théorie de l’inflation sont les développements de la physique les plus importants depuis presque 50 ans.

WMap 9, comme on l’appelle, continue d’enfoncer le clou en faveur de la théorie de l’inflation, mais une véritable preuve n’a pas encore été apportée. Il s’agirait de la détection de ce qu’on appelle les modes B des ondes gravitationnelles. Seule une phase inflationnaire peut les produire. On en saura peut-être plus dans quelques mois avec la publication des résultats de Planck.

capture27-12.jpgLe physicien théoricien et cosmologiste russe Alexei Starobinsky. Il a étudié la théorie quantique des champs en espace-temps courbes, les trous noirs primordiaux, le rayonnement fossile et l'énergie noire.

En attendant, les membres de WMap soulignent que les dernières analyses faites avec le rayonnement fossile sont parfaitement compatibles avec des prédictions déduites de la toute première théorie de l’inflation, celle d’Alexei Starobinsky, un cosmologiste russe.

Alexei Starobinsky s’est d’abord fait un nom au début des années 1970 en travaillant sur la production quantique de particules en cosmologie avec son directeur de thèse, le grand Yakov Zel'dovich. C’est d’ailleurs vers eux que Stephen Hawking s’est tourné pour apprendre les bases de la théorie quantique des champs en espace-temps courbes, bases qui lui ont permis de découvrir le rayonnement des trous noirs.

Un univers sans singularité avant le temps de Planck ?

L’article intitulé A new type of isotropic cosmological models without singularity qu’il va ensuite publier au début de l’année 1980 considérait l’effet sur la géométrie de l’espace-temps de ce que l’on appelle les corrections radiatives en théorie quantique des champs. Elles conduisent à ajouter des termes aux équations d’Einstein.

Une solution de ces nouvelles équations, décrivant des phases quantiques très primitives de l’univers, peut alors être obtenue. Comme l’a montré Starobinsky, elle permet de remonter à un temps zéro de l’histoire de l’univers observable sans qu’une singularité de l’espace-temps, rendant impossible la compréhension du début de cet univers, ne soit présente. Une des conséquences du modèle de Starobinsky était justement une phase inflationnaire pour l’expansion de l’espace-temps.

La même année, Alan Guth publiait également une théorie de l’inflation, mais dans le but de montrer qu’elle permettait de résoudre divers autres problèmes rencontrés en cosmologie, notamment avec les monopôles magnétiques des théories de grande unification (GUT).

On s’accorde pour dire que c’est à Starobinsky que l’on doit la première théorie de l’inflation, même si celle de Guth est la plus connue. C’est l’une des plus simples, et il est remarquable que l’on puisse la relier aux modifications de la théorie de la relativité générale connues sous le nom de théories f(R). Elles ont été proposées pour rendre compte de l’accélération de l’expansion de l’univers sous l’effet de l’énergie noire.

 LA REPONSE DE PLANCK

 NOUVEAU VISAGE DE L’UNIVERS

 Un univers plus âgé avec davantage de matière noire et moins d’énergie noire : voilà une partie des nouveaux résultats découverts grâce à Planck. Il apparaît aussi que certains aspects de notre univers sont presque parfaitement conformes aux prédictions du modèle cosmologique standard complété par la théorie de l’inflation. Mais de curieuses anomalies pourraient pointer vers une nouvelle physique...

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 Juste après le Big Bang, entre une période s'étendant de 10-43 à 10-35 seconde après un hypothétique « temps zéro » de l'univers observable, on a de bonnes raisons de penser que l'expansion de l'univers a subi une très forte accélération transitoire. Cette brève période de temps s'appelle l'inflation, et elle serait une conséquence d'une nouvelle physique, comme celle de la gravitation quantique ou des théories de grande unification (GUT). Très fortement dilaté, l'univers observable aurait continué son expansion, mais en gardant dans le rayonnement fossile la mémoire de cette phase d'inflation. © Rhys Taylor, Cardiff University

Un univers plus vieux et moins riche en énergie noire

Directeur du Kavli Institute for Cosmology à Cambridge (Royaume-Uni), George Efstathiou avait déjà considéré avec des collègues un modèle cosmologique avec des proportions de matière noire et d’énergie noire au début des années 1990. Elles étaient très similaires à celles que l’on a mesurées depuis la découverte de l’expansion accélérée de l’univers observable en 1998, des années plus tard.

Les nouveaux résultats à propos de ces proportions ne sont pas très différents de ceux déjà obtenus avec WMap et d’autres instruments d’observation, comme le révèle le chercheur avec une nouvelle carte des fluctuations de température du rayonnement fossile. Mais on constate que la matière noire est un peu plus abondante qu’on le pensait, avec une contribution de 26,8 % à la densité du cosmos. L’énergie noire, toujours dominante, ne représente plus maintenant que 68,3 % de cette densité.

En revanche, l’univers observable est un peu plus vieux qu’on le pensait. Son âge estimé est maintenant d’environ 13,82 milliards d’années. C’est une bonne nouvelle, étant donné la détermination de l’âge probable de certaines étoiles comme HD 140283.

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Voici la nouvelle carte des fluctuations de température du rayonnement fossile sur l'ensemble de la voûte céleste. Le pôle nord céleste est en haut et le pôle sud en bas. Elle a été réalisée par la collaboration Planck à partir des données recueillies par les instruments HFI et LFI du satellite. L’écart par rapport à la température moyenne de -270,425 °C, mesurée par le satellite Cobe en 1992, va de -486 (en bleu foncé) à +538 millionièmes de degré Celsius (en rouge). © Esa, collaboration Planck

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Comparé a celle de Wmap

Des observations presque conformes à la théorie de l'inflation

Le saut de résolution de la photographie de la plus vieille lumière du cosmos et la mesure précise des infimes fluctuations de températures qu’elle exhibe sur la voûte céleste ont aussi permis aux cosmologistes de dresser une nouvelle courbe de puissance pour le rayonnement fossile. Montrant en quelque sorte l'importance des fluctuations de température en fonction de la résolution en échelle angulaire, cette courbe est une carte d’identité de l’univers.

On peut la comparer à celles déduites de divers modèles cosmologiques construits avec des variantes de la théorie de l’inflation. Il apparaît maintenant qu’aux courtes et très courtes échelles angulaires, l’accord est presque parfait avec ce que prédit le modèle cosmologique de concordance standard, complété par la théorie de l’inflation dans ses formulations les plus simples.

Du coup, on pourrait croire que la théorie de l’inflation s’en trouve démontrée, ou pour le moins très renforcée. Mais George Efstathiou incite à la prudence. Au niveau des fluctuations aux grandes échelles angulaires, des anomalies très curieuses apparaissent dans la courbe de puissance du rayonnement fossile. Elles ne semblent pas pouvoir être expliquées simplement par la théorie de l’inflation. Il pourrait s’agir de manifestations d’une nouvelle physique, voire de traces laissées par un « pré-Big Bang » dans le cadre, par exemple, des théories du multivers.

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Une représentation de la fameuse courbe du spectre de puissance angulaire du rayonnement fossile, déduite du modèle cosmologique standard complété par la théorie de l'inflation. C'est en quelque sorte une courbe de puissance moyenne du rayonnement (en ordonnée) donnant l'importance des fluctuations de températures en fonction de la résolution en échelle angulaire (en abscisse). La taille et la position des oscillations dépendent du contenu, de l'âge, de la taille de l'univers, et de bien d'autres paramètres cosmologiques encore. Les points et les barres rouges représentent les mesures de Planck avec des barres d'erreur. L'accord avec les prédictions aux petites échelles angulaires est spectaculaire. © Esa

Bientôt une preuve de la théorie de l'inflation ?

Il existe un test très convaincant, pour autant qu’on le sache, de la théorie de l’inflation. Il s’agirait de la détection des modes B. Il s’agit des traces d’infimes fluctuations quantiques primordiales des ondes gravitationnelles, au tout début de l’histoire du cosmos observable, qui pourraient avoir été considérablement agrandies pendant la phase d’inflation.

Or, comme le signale Jean-Loup Puget, l’un des principaux responsables de la collaboration Planck, les informations concernant ces modes B n’ont pas encore pu être proprement exploitées. Des analyses sont en cours, et si ces modes sont présents avec un signal suffisamment clair dans les données de Planck, on devrait le savoir probablement d’ici la fin de l’année.

Toutes les données collectées par Planck n’ont pas encore été examinées. Qui plus est, comme pour WMap, leur exploitation pourrait bien durer une décennie, et probablement plus. Nous ne sommes donc qu’au début des révélations qu’apportera Planck sur l’histoire et la structure de notre univers. En attendant, vous pouvez aller sur la page Facebook du site français de la mission Planck, ainsi que sur ce site lui-même, pour en apprendre plus sur l’univers à l'ère de Planck.

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