Planck cartographie le rayonnement fossile

Une carte incroyablement précise de la première lumière qui a percé l’univers. Voilà le résultat majeur publié par l’agence spatiale européenne (ESA) le 21 mars dernier. Cette photo de l’univers adolescent a été obtenue en récoltant les premiers photons à échapper aux intéractions incessantes avec les électrons du plasma primordial, 380 000 ans après le Big Bang. Avec un peu d’emphase et en paraphrasant le physicien George Smoot, on pourrait dire que Planck lève le voile sur le visage de l’origine du monde (n’en déplaise à Gustave Courbet). Mais ce satellite est déjà le troisième à livrer une telle carte du fond diffus cosmologique. Alors quoi de neuf cette fois-ci ?

Evolution des observation du rayonnement fossile
Crédits : lefigaro.fr

Un satellite ultramoderne…

Le satellite Planck est le résultat d’une collaboration internationale, essentiellement européenne. La fusée Ariane a propulsé en 2009 ces 2 tonnes de concentré technologique vers le point de Lagrange L2 situé à 1,5 millions de km de nous, dans l’axe Terre-Soleil, du côté opposé à notre étoile. Un endroit où il était le plus possible à l’abri des émissions thermiques du Soleil, de notre planète et de la lune. En outre, en ce point, les forces de gravitation exercées par la Terre et par le Soleil se compensent et le satellite suit naturellement la Terre dans son mouvement autour du Soleil.  A son bord, entre autres, un téléscope (hors-axe et en configuration grégorienne pour les puristes), et deux instruments. Ces derniers avaient pour rôle de prendre des images dans neuf bandes spectrales (comprenez fréquence, longueur d’onde ou “couleur”, au choix), d’où leurs noms : Low Frequency Instrument (américain) et High Frequency Instrument (français). Ce dernier en particulier est constitué de 52 bolomètres.  Quand le rayonnement atteint les bolomètres, il les chauffe légèrement. Cette augmentation de température a pour conséquence de diminuer la résistance électrique. En conséquence, la tension (en volt) produite par un courant électrique dans l’appareil diminue elle aussi (la fameuse loi d’Ohm). Cette tension est détectée, amplifiée et transmise à la Terre. Pour réduire les bruits et augmenter la sensibilité, il faut refroidir ces appareils. Le détecteur HFI a été maintenu à une température de 0,1 K (-273.05 °C) grâce à un système spécialement développée et breveté pour l’occasion. C’est l’objet le plus froid jamais envoyé dans l’espace ! Il a pu ainsi être sensible à des fluctuations de quelques fractions de millionièmes de degrés. Il aurait fallu 1000 ans d’observation à son prédecesseur WMAP pour égaler la sensibilité des 30 mois de mission de Planck.

Le satellite Planck

…pour un rayonnement fossile

Auparavant en effet, les satellites WMAP (2003) et COBE (1992) avaient été lancés dans le même but : capter les premiers photons libérés dans l’univers il y a plus de 13 milliards d’années. A l’époque, quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang, l’univers est dense et chaud.  Si chaud que les électrons ne sont pas liés aux protons pour former des atomes. Au sein de cet état de plasma, les photons, c’est-à-dire les particules de lumière, existent déjà. Mais ils sont en interaction constante avec la matière et ne savent plus où donner de la tête ; à peine sont-ils émis qu’ils se retrouvent absorbés (plus précisément, ils subissent une diffusion Thomson). L’ univers est comme un brouillard opaque. L’horizon se dissipe  vers 380 000 ans après le big bang. La température de l’univers passe sous les 3000 °K. Les électrons et les protons se lient alors pour former des atomes neutres. Les photons interagissent beaucoup moins avec ces entités et peuvent donc se propager librement. Ceux que Planck a détecté ont mis plus de 13 milliards d’années à nous parvenir. Entre temps, l’expansion de l’univers aidant, ils se sont “refroidis”, et sont passés  de 3000° à  2,725° au dessus du zéro absolu. Ils sont donc des fossiles, des vestiges de ce moment troublé de l’adolescence de l’univers. L’existence de ce rayonnement était une prédiction des partisans de la théorie du big bang. Celle-ci dit, en bref, que l’univers a une histoire, un passé dans lequel il était plus dense et plus chaud qu’aujourd’hui (et non pas que l’univers a été crée à partir de rien lors d’un mystérieux “instant zéro”, comme on le croit souvent). La première observation fortuite de ce rayonnement par Penzias et Wilson en 1964 apporte une preuve très importante en faveur de cette théorie. Les deux physiciens recevront d’ailleurs le prix Nobel.

Les dessous de la carte

49 ans plus tard, difficile d’échapper à la nouvelle observation réalisée par le satellite Planck.  Pour l’obtenir, il a scruté le ciel en décrivant dans l’espace cercle par minute. Une même bande était observée 50 fois de suite puis l’axe du satellite était légèrement décalé, comme s’il cartographiait de l’intérieur la surface d’une coquille d’oeuf dont il occuperait le centre. L’image sphérique a ensuite été dépliée sur un planisphère.

Schéma de la stratégie de pointage de Planck
Crédit : ESA / medialab

Dernière étape, parmi les plus difficiles : toutes les observations dans les différentes bandes spectrales ont été recoupées pour lever un à un les voiles parasites que représentent notre voie lactée, les galaxies et autres super amas. Au final apparaît cette image grumeleuse et colorée, la trace du rayonnement fossile. Les scientifiques ont pu l’analyser et comparer leurs résultats avec les prédictions de différents modèles, comme s’ils comparaient la carte obtenue avec celles d’un atlas des théories de l’univers.

Verdict ? D’abord, l’univers est plus vieux de 80 millions d’années qu’on ne le pensait. Sur 13,8 milliards d’années, c’est comme changer de deux mois la date de naissance d’un homme de 25 ans. Ensuite, l’espace s’étend un peu moins vite que prévu. La mesure de la constante de Hubble (qui porte mal son nom puisqu’elle varie dans l’histoire du cosmos) est de 66 km/s/Mpc. Autrement dit, un cube d’univers de 1 mégaparsec de côté (soit 3,26 millions d’années-lumière) se dilate de 66 km chaque seconde. La précédente mesure obtenue par le télescope spatial Hubble donnait une expansion actuelle de 72 km/s/Mpc. “Mais ce n’est pas très étonnant : dans le cas du télescope Hubble, il y a beaucoup de mécanismes à prendre en compte pour extraire ces quantités à partir d’observations de galaxies et de supernovae” explique François Bouchet, responsable de la mission HFI. Autre résultat, l’univers dans son ensemble serait quasiment plat.

Mais surtout, l’observation confirme le modèle standard de la cosmologie (dit “lambda-cold dark matter” pour les intimes). 6 paramètres suffisent pour décrire l’histoire de l’univers :

  • 3 paramètres pour  ses éléments, dont Planck affine la répartition : 69,4 % d’énergie noire, 25,8 % de matière noie et  4,8 % de matière ordinaire
  • Un paramètre qui indique la fin des âges sombres de l’univers, c’est-à-dire l’époque où sont apparues les premières étoiles.
  • Enfin, 2 paramètres décrivent les fluctuations primordiales qu’auraient connu l’univers à son tout début.

Des grumeaux aux galaxies

En effet,  Planck ne se contente pas de donner une “photo” de l’univers adolescent, 380 000 ans après le big bang. En analysant cette image, les scientifiques récoltent des indices sur ce qui s’est passé 10-32 secondes après l’hypothétique instant zéro. Hypothétique car dans leur remontée vers les origines, les cosmologues se heurtent au “mur de Planck”, 10-43 secondes après le big bang, où les conditions sont telles que les équations habituelles de la physique ne s’appliquent plus. C’est ce mur que d’autres théories spéculatives cherchent à escalader, à l’aide de boucle de gravité quantique et autres supercordes.

Histoire de l'univers Crédit : Wikipédia

Histoire de l’univers
Crédit : Wikipédia

Le fond diffus cosmologique observé par Planck est un rayonnement de corps noir, dont le physicien Max Planck a modélisé le comportement au tout début du XXe siècle (voir ce post). C’est pour ça que le satellite s’appelle Planck !Un corps noir est  un objet en équilibre thermique  qui émet de la lumière dont les propriétés  dépendent de sa température. Comme l’univers était partout à la même température à l’époque, le rayonnement est isotrope : ses caractéristiques sont les mêmes dans toutes les directions. Sauf qu’il y a des fluctuations. En rouge, des zones plus chaudes, en bleu des zones plus froides (attention ça se joue au millionième de degré quand même). D’où viennent ces grumeaux ? Juste après sa naissance, l’univers aurait subi une phase d’expansion brusque, multipliant sa taille par un facteur d’au moins 1026. C’est l’inflation, qui se serait arrêtée  10-32 secondes après le big bang. Pendant ce temps incroyablement court, les fluctuations quantiques (chères à ce cher Heisenberg) sont amplifiées et pour donner les anisotropies du rayonnement fossile. Ces petites fluctuations sont elles-mêmes à l’origine de la différence entre les zones où les galaxies sont nées et celles où le vide interstellaire domine. C’est se modèle que semble confirmer Planck. Il a démontré la validité de l’une des prédictions essentielles des théories d’inflation : l’intensité lumineuse des  fluctuations à grande échelle doit être légèrement supérieure à celle des fluctuations à petite échelle . “Ca marche incroyablement bien” pour Cécile Renaud, cosmologue qui a participé à la mission. “Le rayonnement fossile peut presque raconter à lui seul l’histoire de l’univers”.

D’intriguantes anomalies

Cependant,  de petits grains de sables gênent la parfaite adéquation entre le modèle et l’observation. En particulier,pour les plus grandes échelles, l’intensité des fluctuations est inférieure de 10% aux prédictions, un mystère qu’aucune théorie ne parvient à expliquer. La probabilité d’obtenir une telle carte était faible, de l’ordre d’une chance sur 100. Est-ce la hasard ou une faille par laquelle pourra s’engouffrer un modèle théorique alternatif ? Il est trop tôt pour le dire. En attendant, la moitié  données du satellite n’ont pas encore été analysées. Planck a également mesuré la polarisation du rayonnement fossile. Il s’agit d’une information portée par les photons sur la direction d’oscillation du champ électrique. Or l’inflation de l’univers dans sa toute première phase a été si extrême qu’elle a sans doute engendré des ondes gravitationnelles. Ce sont des vibrations de l’espace-temps qui se propagent dans l’espace à l’instar des vagues qui se propagent à la surface d’une eau calme lors qu’y on jette un caillou. Un tel événement devrait avoir laissé une infime trace dans la polarisation du rayonnement fossile. Si Planck l’a détectée, un petit pas sera fait vers la connaissance sur les débuts du cosmos. Réponse en 2014.

Sylvain Guilbaud

Et le quantum fut…

Au post précédent, nous avons vu qu’un des problèmes qui se posait aux physiciens à la fin du XIXème siècle était celui du corps noir. J’aimerai donner ici plus d’explications.

Qu’est ce qu’un corps noir ?

Pour un physicien un corps noir est un objet idéal qui absorbe, sans réfléchir ni diffuser, toute l’énergie électromagnétique qu’il reçoit. Cette énergie est entièrement réémise, c’est ce qu’on appelle le rayonnement du corps noir. Les propriétés de ce rayonnement ne dépendent que de la température à laquelle se trouve le corps noir.  Prenons d’abord un exemple qui n’est pas vraiment un corps noir: une tige de fer en train d’être forgée. La tige absorbe bien de l’énergie électromagnétique (la « chaleur »qui provient du brasier du forgeron) et la restitue en rayonnant à son tour: ce rayonnement est visible (on le voit à la couleur que prend la tige de fer) et dépend de la température (à faible température, la tige à sa couleur normale, si on la chauffe, elle devient rouge, si on la chauffe encore plus, elle devient blanche). Mais ce n’est pas un corps noir car la tige n’absorbe pas tout ce qu’elle reçoit (elle en réfléchit une partie) et les propriétés de son rayonnement ne dépendent pas que de sa température, mais aussi de sa composition: si elle était en cuivre, la « couleur » (c’est-à-dire la fréquence de l’onde électromagnétique rayonnée, pour être précis) observée  à une température donnée ne serait pas tout à fait la même. Un meilleur exemple de corps noir est le four du boulanger: une enceinte fermée simplement percée d’une petite ouverture.

Spectre du corps noir

Pour en savoir un peu plus, cliquer ici. En tous cas pour simplifier, ce qu’il faut retenir  de ce paragraphe est que l’objet du problème du corps noir est tout bête: c’est l’étude des propriétés de la lumière émise par des objets lorsqu’on les chauffe. On attend quand même de la physique qu’elle puisse comprendre et expliquer ce phénomène, non ?

La catastrophe ultraviolette

Voilà un titre qui en met plein les yeux.  Des physiciens s’intéressent au corps noir dans la seconde moitié du XIXème, notamment Kirchhoff. D’une part en faisant des mesures des propriétés de son rayonnement, en le décomposant en ces différentes composantes fréquentielles (ie en ses différentes « couleurs », comme on fait lorsqu’on obtient les couleurs de l’arc en ciel avec de la lumière blanche et un  prisme) et en mesurant leur énergie. Et d’autre part en cherchant une formule théorique qui modélise correctement ces résultats. Des savants comme Wien proposent des formules empiriques qui ne décrivent pas tous les résultats.  Ce manque perturbe un peu les physiciens, et il constitue pour Kelvin un petit nuage dans le ciel de la physique. En juin 1900, quelques mois après cette déclaration de Kelvin, Rayleigh dérive théoriquement, à partir une analogie entre un corps noir et un gaz, un nouveau modèle. Si celui-ci s’accorde aux données expérimentales pour les basses fréquences, il prédit que, aux hautes fréquences (plus grandes que celles du bleu, d’où le terme ultraviolet),  la quantité d’énergie rayonnée tend vers l’infini. Or  c’est en contradiction d’un côté avec les expériences, et en plus avec le principe de conservation de l’énergie ( on ne peut pas produire infiniment d’énergie à partir d’une quantité finie d’énergie). Cela signifierait qu’a n’importe quelle température, un four deviendrait une bombe. Bref, c’est la catastrophe.

Planck et les quanta

December 14, 1900: Max Planck presents the fir...

Max Planck, obsédé par le second principe de la thermodynamique depuis qu’il y a consacré sa thèse de doctorat, est absorbé par ce problème. Mais pour être historiquement exact, il ne prête pas beaucoup d’attention à la catastrophe ultraviolette d’une part parce que cette expression n’a été employée qu’a posteriori par Ehrenfest en 1911, d’autre part parce qu’il n’admettait pas l’hypothèse équipartition de l’énergie faite par Rayleigh. Cependant, le 14 octobre 1900, après avoir trituré ses équations dans tous les sens, il trouve une formule qui reproduit exactement toutes les données des expériences. Mais il a dû pour cela introduire de façon un peu ad hoc une constante h.  Que signifie-t-elle ?Pour le savoir, il travaille d’arrache pied jusqu’au 14 décembre 1900 et comprend que les échanges d’énergie entre le rayonnement électromagnétique et la matière sont quantifiés. C’est-à-dire que ces échanges se font par paquets, et non de manière continue ! Ce sont les quanta d’énergie. Pour une analogie,  supposons que nous voulions nous déplacer dans Paris. Si nous prenons le métro, nous ne pouvons nous déplacer que par des « sauts »correspondent aux distances entre deux stations.  Au contraire si nous choisissions de marcher à pied, nous pouvons le faire de manière continue et nous arrêter où nous voulons. Le trajet en métro est discontinu (il y a des « quanta de déplacement ») alors que le trajet à pied ne l’est pas. Une autre analogie serait la monnaie: il existe un « quantum élémentaire de monnaie » qui est le centime d’euro et nos échanges de monnaies se font par paquets de ses quanta élémentaires.

En 1900, Planck et ses collègues n’ont pas encore conscience du chamboulement que laisse entrevoir cette modification, ils ne voyaient là qu’un tour de passe-passe théorique. D’ailleurs il nomme sa constante h constante « auxiliaire », ce qui se dit « hilfe » en allemand. Mais vers la fin de sa vie, Planck écrira: « Aujourd’hui, je sais pertinemment que le quantum d’action h a joué en physique un rôle bien plus significatif que je n’avais tendance à le soupçonner à l’origine. »  En effet, la constante h porte désormais son nom, ce qui fait de Planck, malgré lui, le premier révolutionnaire de la physique quantique. Le premier qui citera ce travail de Planck est un certain Einstein en 1905.