Reflets de la Physique n°64 jan/fév/mar 2020
Reflets de la Physique n°64 jan/fév/mar 2020
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°64 de jan/fév/mar 2020

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 5,6 Mo

  • Dans ce numéro : au sein et autour de la SFP, le concours Beautiful Science de la SFP.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Le satellite Planck a été lancé en 2009 pour mesurer avec une précision sans précédent les propriétés du rayonnement fossile – aussi appelé fond diffus cosmologique, sorte d’écho lumineux du Big Bang. Les scientifiques de la collaboration Planck ont publié plusieurs séries de résultats, parmi lesquels les mesures les plus précises jamais obtenues de l’âge et de la composition globale de l’Univers. De plus, les données apportent un éclairage nouveau sur deux périodes particulièrement énigmatiques  : l’inflation juste après le Big Bang, et la sortie des « âges sombres » quand les premières étoiles et galaxies se sont formées. L’analyse des données de Planck fournit, en outre, une mine de renseignements concernant la formation des grandes structures. 4 Reflets de la Physique n°64 Les résultats cosmologiques de la mission Planck Nabila Aghanim et Hervé Dole (herve.dole@ias.u-psud.fr) Institut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay (UMR8617, CNRS et Université Paris-Sud), 91405 Orsay Cedex Membres de la collaboration Planck L’histoire de l’Univers, telle qu’appréhendée par les cosmologistes, qu’ils soient observateurs, expérimentateurs ou théoriciens, est relativement bien décrite par le « scénario du Big Bang » qui, bien que contenant des variantes et des imperfections, satisfait un grand nombre de tests d’observation. Ce « modèle cosmologique standard » s’est enrichi avec le temps, nourri à la fois de nouvelles données plus précises et de réflexions plus complexes, afin de tenter de répondre à plusieurs questions sur la genèse et l’évolution des structures cosmiques (galaxies, amas de galaxies). Dès lors, les scientifiques cherchent à mettre au défi les différentes variantes du modèle, en effectuant des mesures de nature à les départager et, éventuellement, à exclure certaines de ces variantes. L’une des observables majeures en cosmologie est le rayonnement fossile – ou fond diffus cosmologique, en anglais Cosmic Microwave Background (CMB, acronyme que nous utiliserons dans la suite) –, découvert en 1964 par A. Penzias et R.W. Wilson. Les faibles inhomogénéités du CMB,i.e. les zones du ciel avec des brillances ou des températures différentes de la moyenne par moins de 0,001%, mises en évidence pour la première fois en 1992 par le satellite COBE de la NASA, sont reliées aussi bien, en aval, aux germes ayant donné naissance aux galaxies que, en amont, aux processus physiques dans l’Univers primordial. Le fond cosmologique et ses inhomogénéités Dans cet Univers primordial très dense et chaud sous la forme d’un plasma, la lumière ne pouvait pas se propager librement  : l’Univers était opaque, comme au centre d’une étoile, à cause de la diffusion Thomson – entre lumière (photons) et matière chargée (essentiellement électrons). À ce stade, lumière et matière sont couplées, mais la matière subit des perturbations. La compétition entre la gravité (qui domine la dynamique de croissance des perturbations de matière) et la pression des photons (piégés par leurs interactions avec la matière, et qui s’opposent à l’effondrement gravitationnel) génère des oscillations  : des ondes acoustiques (analogues aux ondes sonores), qui se propagent dans le plasma. Sous l’effet conjugué de l’expansion de l’Univers et de la (re)combinaison graduelle entre électrons et protons pour former des atomes d’hydrogène, le libre parcours moyen des photons dans le plasma croît. Lorsque l’Univers devient neutre, environ 375 000 ans après le Big Bang (soit un décalage spectral (a) vers le rouge de 1090 +/- 2,5 précisément), la matière et les photons se découplent. La lumière est alors libre de se propager jusqu’à nous  : c’est le CMB détecté par le satellite Planck. Les ondes acoustiques (et les oscillations de température associées) sont « gelées » et impriment sur le CMB des motifs de tailles et de brillances différentes. La mission Planck Décidé par l’Agence spatiale européenne (ESA) en 1996 (après une longue préparation sous la direction d’une équipe de l’Institut d’astrophysique spatiale (IAS) d’Orsay menée par Jean-Loup Puget, avec plusieurs laboratoires français, le CNES, et une contribution significative de la NASA), le satellite Planck est lancé en mai 2009. C’est presque dix ans après le lancement du satellite américain WMAP (pourtant décidé la même année que Planck), parce
que les stratégies technologiques étaient différentes. En effet, les Européens ont choisi une voie plus ambitieuse, donc plus couteuse, longue et risquée, mais avec à la clef des mesures et des résultats insurpassables pour longtemps  : la nouvelle technologie se base sur des détecteurs ultrasensibles – les bolomètres – refroidis à une température record de 0,1 kelvin. Ainsi, une seule année d’observation de Planck équivaut à environ 1000 années d’observation de WMAP. Planck dispose de deux instruments  : HFI (High Frequency Instrument) réalisé sous la maitrise d’œuvre de l’IAS à Orsay et sous la responsabilité de J.L. Puget, et LFI (Low Frequency Instrument) réalisé sous responsabilité italienne. Le satellite Planck a été pensé pour cartographier la totalité du ciel dans le domaine spectral millimétrique (0,3 à 11 mm), avec une résolution angulaire relativement fine par rapport à la granularité du CMB. Planck observe non seulement l’intensité mais également la polarisation du CMB et du rayonnement de notre Galaxie, avec une stratégie d’observation permettant de caractériser avec précision et de contrôler les effets instrumentaux pouvant dégrader ou impacter le signal. Pour finir, Planck a une stratégie d’analyse (incluant un contrôle par simulation), afin d’extraire le signal du fond diffus cosmologique des nombreux autres signaux astrophysiques. Initialement, douze mois d’observations étaient prévus pour cartographier deux fois la totalité du ciel (soit deux « relevés »). Planck-HFI a finalement observé durant 29 mois et a réalisé cinq relevés complets, grâce à la très grande stabilité de son système de refroidissement. Pour la première fois en cosmologie, en raison de la sensibilité exceptionnelle des détecteurs de Planck, la mesure des fluctuations du CMB n’est a b,e -300 mK 300 mK, ,% efn.14 ilri.1F...r1.,-"....0 ; f ee'5..5ié..,:e.++,-+- Je.1-. Of l, i yl, -1,+---eorh1,-.., F/...(, ! (%,.,%\\:1:,-.-/o.+i.-,r.- -160 mK plus limitée par cette sensibilité, mais par notre capacité à bien séparer le fond cosmologique des émissions contaminantes d’avant-plan comme celles provenant de la lumière de notre Galaxie, des autres galaxies et des amas de galaxies. La qualité de cette « séparation des composantes astrophysiques » dépend non seulement de la qualité de mesure du CMB lui-même, mais aussi de celle des dits avant-plans. Les observations de Planck à neuf bandes de fréquences différentes, centrées de 30 GHz (longueur d’onde λ ≈ 10 mm) dans le domaine des micro-ondes jusqu’à 857 GHz (λ ≈ 0,3 mm) dans l’infrarouge lointain, assurent une mesure fine des émissions non cosmologiques d’avantplan, en vue de les soustraire du signal total. › ; "'..-,+: ; ; ; -.' ; "':.. :'-'‘e-'Images de la physiquell'ilim1.//5Nlor//leJ.1/4-44 160 mK 1. Cartes du fond cosmologique observé par le satellite Planck, après soustraction des avant-plans, dont la contribution de la Voie lactée (1,6% de la surface du ciel). (Figures tirées de «Planck 2018 results. I. Overview, and the cosmological legacy of Planck», accepté pour publication dans A&A). (a) Anisotropies de l’intensité (température) du CMB, à la résolution maximale (5 minutes) et avec une sensibilité de quelques µK. Les lignes grises délimitent les régions où l’émission d’avant-plan est substantielle. La couleur rouge correspond aux zones plus chaudes et la couleur bleue aux zones plus froides. (b) Champ de polarisation du CMB, indiqué par des traits noirs de longueur variable, superposé à la carte de température (couleurs) lissée à une résolution réduite à 5 degrés. Depuis 2010, la collaboration Planck analyse les données et publie les résultats associés dans la revue Astronomy and Astrophysics. La version intégrale et définitive de ces résultats a été publiée le 17 juillet 2018. Les données de Planck révèlent le CMB comme jamais vu auparavant, avec de bien meilleures sensibilité et résolution angulaire. L’image des inhomogénéités de température du CMB (fig. 1a) montre qu’elles ont une distribution en taille dominée par des motifs de l’ordre du degré sur le ciel. Ce sont les motifs associés à la première harmonique des ondes acoustiques, c’est-à-dire le premier pic acoustique. Mais surtout, Planck donne pour la première fois accès à la polarisation (b) fine du CMB sur tout le ciel (fig. 1b). » > ESA/Collaboration Planck. Reflets de la Physique n°64 5



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