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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 » > Du fond diffus aux paramètres cosmologiques Les cosmologistes analysent les images du CMB avec un outil statistique privilégié – le spectre de puissance angulaire (c) – qui fait office de mesure de corrélation à deux points dans toutes les directions. Dès lors, les spectres de puissance, données et modèles théoriques, sont directement comparables. Grâce à son excellente résolution angulaire, Planck mesure dix-neuf harmoniques ou pics acoustiques des spectres de puissance des fluctuations de température (fig. 2) et des fluctuations de polarisation E (fig. 3) du CMB  : une grande première. L’importance que revêt cette mesure tient au fait que l’analyse du spectre de puissance du CMB permet de déterminer les paramètres « cosmologiques » qui décrivent le contenu de l’Univers en matière ordinaire et sombre, en neutrinos, en énergie sombre, notamment. Par exemple, la brillance des motifs de taille un degré (l’amplitude du premier pic acoustique) et leur taille angulaire dépendent respectivement de la densité totale d’énergie et de la courbure de l’Univers. Ou encore, la brillance relative des motifs de taille inférieure à un degré (amplitude relative des premier et deuxième pics) dépend de la quantité de matière ordinaire dans l’Univers. Dès lors, plus le spectre de puissance possède de pics acoustiques plus il est « complet » et meilleure sera la précision de la mesure des paramètres cosmologiques. Ces derniers nous révèlent l’ensemble des ingrédients cosmiques, exprimés en terme de leur rapport à la densité totale d’énergie dans l’Univers et notés W b, W CDM, Wn, WL, les indices faisant référence à la matière baryonique (b), à la matière sombre (CDM pour cold dark matter), aux neutrinos (n) ou encore à l’énergie sombre (L). Les paramètres cosmologiques nous renseignent aussi sur les propriétés de l’Univers  : son âge, à travers la constante de Hubble H 0 qui mesure le rythme d’expansion de l’Univers, et sa géométrie, via son paramètre de courbure W k, par exemple. Les spectres de puissance de Planck sont comparés à des milliers de modèles reproduisant, en plus du CMB, tous les signaux mesurés par Planck comme les effets des amas de galaxies, des galaxies, de l’émission de notre Galaxie. On recherche alors l’ensemble des paramètres (cosmologiques, astrophysiques, instrumentaux) qui rendent 6 Reflets de la Physique n°64 o b D l TE [μK 2] 0 600 60 300 30 140 0.11.4,11...1.11.61.1401.111.1.141,11 0 -300 -30 -600 70 -60 à 4 ; 2 10 30 500 1000 1500 2000 2500 0 2. Spectre de puissance -70 des fluctuations de température (en microkelvins carrés) du fond diffus cosmologique en fonction de l’échelle angulaire. Les moments multipolaires l correspondant aux diverses échelles angulaires -140 sont indiqués le long de l’axe des abscisses. En haut du graphe  : les données de Planck (points et barres d’erreur en bleu) et le meilleur modèle 10 (courbe rouge). 0 Insert du bas  : résidus par rapport au modèle. Noter que le spectre de puissance est construit différemment pour le -10 régime bas l (2 < l < 29) et le régime haut l (l > 29). (Figure tirée de Planck Collab. 30 XIII, A&A 500 593 (2015) 1000A13.) 1500 2000 a D l TT [μK 2] ΔD l TT ΔD l TE C l EE [10 -5 μK 2] ΔC l EE D l TE [μK 2] ΔD l TE 100 80 60 40 20 0 4 0 -4 140 70 0 -70 -140 10 0 -10 80 60 40 20 0 4 30 500 1000, 94efilLid 1 e 4 4 4 i 30 500 1000 l l 1500 2000 f f t 1 3. Spectres de puissance du fond diffus cosmologique (a) en polarisation E (noté EE) et (b) en corrélation croisée température et polarisation E (noté TE). Mêmes notations que la figure 2. 100 (Figure tirée de Planck Collab. XIII, A&A 593 (2015) A13.) C l EE [10 -5 μK 2] 5000 4000 3000 2000 1000 Échelle angulaire 90° 18° 1° 0,2° 0,1° 0,07° 6000 l l 1500 2000 ESA and the Planck Collaboration. ESA and the Planck Collaboration.
le mieux compte du modèle complet du ciel, étant données les observations. Seuls sont retenus les modèles, et par conséquent l’ensemble des paramètres, qui s’accordent au plus près avec les observations et leurs incertitudes. Grâce à la qualité inégalée des données de Planck, des mesures d’une précision jamais atteinte ont été obtenues pour les paramètres cosmologiques. Planck a révisé la « composition » de l’Univers. La quantité de matière ordinaire et de matière sombre doit être augmentée d’environ 10% par rapport aux précédentes estimations. La quantité d’énergie sombre, quant à elle, doit être diminuée d’autant. Le plus remarquable dans les plus récents résultats de Planck est la précision extrême des mesures des paramètres, de l’ordre de 0,6 et 1,1% pour les densités de baryons et de matière sombre respectivement. Planck mesure un paramètre de courbure de l’Univers de l’ordre de – 0,004 et établit donc que l’Univers est plat et que notre espace a une géométrie euclidienne. Les derniers résultats de Planck utilisant la polarisation du CMB confirment que la constante de Hubble mesurée, 67,27 km/s/Mpc, est environ 10% plus faible que les précédentes estimations. La qualité des données de Planck, et l’accès aux nombreux pics acoustiques dans le spectre de puissance, ont permis pour la première fois de détecter l’effet des neutrinos primordiaux, « émis » lorsque l’Univers était âgé d’une seconde, sur la carte du rayonnement fossile. Cet effet est en accord avec le scénario du Big Bang et le modèle standard de la physique des particules. Planck montre bien que le nombre d’espèces de neutrinos est de trois, tel que prédit par la théorie. Avec cet ensemble de mesures qui utilisent les spectres de puissance en intensité/température et en polarisation, il suffit de six paramètres cosmologiques (d) pour en ajuster parfaitement les dix-neuf pics. L’un des résultats majeurs de Planck est donc que le modèle cosmologique « standard » le plus simple (appelé aussi « modèle de concordance ») est favorisé par les données et qu’aucune remise en cause profonde n’est envisageable, même si quelques tensions existent. L’inflation cosmique L’analyse statistique du CMB permet de mieux cerner le processus d’inflation cosmique (e) et donc l’état de l’Univers une fraction infime de seconde après le Big Bang. Les mesures de Planck renforcent considérablement le modèle de l’inflation dans son expression la plus simple et standard. La mesure d’une très faible valeur du paramètre de courbure de l’Univers (- 0,004) indique que l’hypothèse de sa « platitude », conséquence de l’inflation, est confirmée. Par ailleurs, et pour la première fois, Planck a permis la mesure non ambigüe de l’indice spectral scalaire (f) n s = - 0,9645, avec une précision telle que l’écart à la valeur -1 (caractérisant le cas indépendance de la taille physique) est indiscutable. Cette mesure est conforme aux prédictions de l’inflation, où l’indice n s doit être compris entre - 0,96 et 0,97. D’autre part, le caractère gaussien de la distribution des inhomogénéités de température du CMB, stipulé par les modèles les plus simples et usités d’inflation standard, est maintenant établi avec la plus grande précision jamais obtenue, rejetant ainsi toute une famille de modèles d’inflation. De plus, grâce à la mesure la plus précise obtenue à ce jour de la polarisation du CMB aux échelles angulaires inférieures au degré (l > 100) sur tout le ciel, Planck établit définitivement la nature adiabatique des perturbations de matière, c’est-à-dire que les perturbations de densité sont en équilibre thermique les unes avec les autres. Une avancée majeure pour conforter de manière déterminante le paradigme de l’inflation standard serait la mesure directe de la polarisation, dite de mode B (b), aux échelles angulaires supérieures au degré. Cette polarisation est la signature claire des ondes gravitationnelles primordiales générées par la phase d’inflation cosmique. Sa mesure représente la nouvelle limite posée aux expériences visant à mesurer le CMB depuis le sol ou dans l’espace. L’importance que revêt la confirmation « ultime » d’une phase d’inflation cosmique par la mesure des modes B de polarisation impose une approche très sérieuse et prudente du traitement des données, en particulier de la séparation du signal cosmologique de celui associé à notre Galaxie qui domine aux grandes échelles angulaires. Ce type d’analyse poussée a été réalisé avec les données de Planck combinées à Images de la physique celles du télescope au sol BICEP2/KECK. Elle a mis en évidence que la part d’émission due à la poussière galactique avait été significativement sous-estimée, ce qui avait conduit l’équipe BICEP à une interprétation erronée de leur signal comme étant un signal cosmologique. Aujourd’hui, l’analyse des données de Planck seules et celles les combinant aux données de BICEP2/KECK indiquent que le paramètre mesurant l’importance du signal produit par les ondes gravitationnelles primordiales, correspond à une valeur supérieure – pas encore à une détection. La quête de la trace des ondes gravitationnelles primordiales dans la polarisation du CMB ne fait que commencer. La reionisation de l’Univers Une autre période énigmatique de l’histoire de l’Univers est la « reionisation » qui désigne l’époque, quelques centaines de millions d’années après la recombinaison, lors de laquelle les atomes d’hydrogène sont de nouveau séparés en électrons et protons. La reionisation est communément associée à l’émission de photons ionisants par les premiers objets lumineux (première génération d’étoiles, premières galaxies), même si d’autres hypothèses sont avancées comme la production de photons énergétiques et ionisants lors de la désintégration de particules de matière sombre. Les observations du CMB apportent un éclairage unique et original sur la reionisation. En effet, celle-ci laisse une empreinte très caractéristique dans le CMB sous la forme d’un pic dans le spectre de puissance de la polarisation de type E aux très grandes échelles angulaires (fig. 3). Seules des observations de l’ensemble de la voute céleste permettent d’accéder à ce signal. Par ailleurs et de nouveau, la séparation de l’émission polarisée de notre Galaxie est déterminante pour isoler le signal associé à la reionisation. En 2016 et grâce à une analyse particulièrement longue et détaillée de tous les effets instrumentaux intervenant aux grandes échelles angulaires, la collaboration Planck a pu mesurer l’opacité t de l’Univers dû à la reionisation. La valeur obtenue (t = 0,055 ± 0,009) permet de déduire que la reionisation s’est produite à un décalage vers le rouge entre 8 et 9. Les données de Planck indiquent aussi que le processus de reionisation n’a pas été très efficace avant un décalage spectral de 15. Ceci pourrait suggérer que les premières sources lumineuses qui se seraient formées » > Reflets de la Physique n°64 7



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