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WMap livre les mesures les plus précises du rayonnement fossile

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Les résultats sont tombés sans bruit il y a quelques jours sur le site de l'équipe scientifique du Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMap) lancé le 30 Juin 2001. Les analyses des cinq premières années d'observations cumulées du rayonnement de fond diffus (d'où le 5 de WMap 5) sont désormais à la disposition de toute la communauté des cosmologistes et des physiciens des hautes énergies. Pas de révolution en vue mais de quoi préciser de nombreux paramètres.

La sonde WMap. Crédit : Nasa

C'est le 28 février 2008 que la mise en ligne des résultats de WMap 5 a été effectuée. Comme les précédentes en 2003 et 2006, à partir de l'enregistrement de plus en plus fin de la lumière fossile composant le célèbre CMB, les chercheurs peuvent remonter à l'âge, la composition et l'évolution du cosmos observable.

En effet, dans les premiers instants de l'Univers, celui-ci est composé d'un fluide dense et chaud de particules, en particulier des photons, parcouru par des ondes de densité. De même qu'un instrument de musique produit un son caractéristique de sa forme et de sa composition, les ondes parcourant ce fluide portent codés en elles des renseignements sur la forme de l'Univers et son contenu en particule. Ces ondes vont laisser leurs empreintes sous la forme de fluctuations de températures à des échelles angulaires et des amplitudes différentes sur l'image que l'on enregistre du rayonnement fossile dans toutes les directions de l'espace.

Comme regarder loin c'est regarder tôt (puisque la vitesse de la lumière est finie), ce que l'on observe correspond à la période où la densité de l'Univers est devenue suffisamment faible et la température suffisamment basse pour que des atomes se forment et que la lumière puisse se déplacer sans être absorbée, un peu comme lorsqu'une brume se dissipe : il s'agit de la recombinaison. L'image la plus précise à ce jour de ces fluctuations se trouve sur le schéma de la figure 1.

Figure 1. WMap 5. Cliquez pour agrandir. Crédit : Nasa/WMap Science Team

Précisions sur les paramètres fondamentaux de l'Univers

Les principaux résultats de WMap 5 peuvent être résumés de la façon suivante :

  •  la constante de Hubble vaut 70,1 km /s par Mpc (mégaparsecs) +/- 1,3 ; 
  •  la part de la densité de l'Univers ramenée à la densité critique pour l'énergie noire est 72,1 % +/- 1,5 ;
  •  la part de la densité de l'Univers ramenée à la densité critique pour la matière sombre est 23,3 % +/- 1,3 ;
  •  la part de la densité de l'Univers ramenée à la densité critique pour la matière baryonique est de 4,6 % +/- 0,2 ;
  • l'âge de l'Univers est de 13,73 milliards d'années +/- 0,12 ;
  • la température moyenne du cosmos est de 2,725 K ;
  • la recombinaison s'est produite 375.900 ans +/- 3.100 après la « naissance » de l'Univers observable.
Figure 2. En haut, la composition actuelle de l'Univers et en bas celle 380.000 ans après sa "naissance" (l'énergie noire est en bleu, et la matière noire en vert). Cliquez pour agrandir. Crédit : Nasa/WMap Science Team

Le spectre de puissance du rayonnement fossile (la variance cosmique) est devenu plus précisément connu et l'anomalie du quadripôle est toujours présente comme on peut le voir sur le schéma de la figure 3. On constate en effet que le premier point à l'extrémité gauche correspond à une mesure qui s'écarte de la courbe de la meilleure approximation (fit) des valeurs observées par le modèle LambdaCDM, avec énergie noire et matière noire.

Un fond diffus... de neutrinos

Ce résultat doit ravir Jean-Pierre Luminet car un des arguments forts en faveur de son modèle cosmologique clos, à la topologie multiplement connexe, se trouve à nouveau renforcé par les observations.

Figure 3. Cliquez pour agrandir. Crédit : Nasa/WMap Science Team

Avec sa meilleure précision, WMap 5 montre plus nettement un troisième pic d'oscillation dans la variance cosmique, correspondant à de petites échelles de résolution angulaire, comme le montre la courbe de la figure 3 à son extrémité droite.

Celui-ci s'interprète, entre autre, comme une preuve de l'existence d'un fond diffus non plus de photons mais de neutrinos remontant à l'époque de la "création" de l'Univers observable. En particulier, comme le montre la figure 2, au moment de la recombinaison ces neutrinos représentaient 10 % de la densité de l'Univers. Mieux, mise en relation avec la nucléosynthèse de l'hélium, cette valeur confirme à nouveau qu'il n'y a que trois espèces de neutrinos légers dans l'Univers. On obtient ainsi une borne sévère pour l'existence d'autres neutrinos qui seraient massifs, la somme des masses de tous les neutrinos ne pouvant guère être supérieure à 0,61 eV.

Pour les experts, la série complète des paramètres cosmologiques est disponible sur le site de WMap.

Pour terminer ce tour rapide des résultats de WMap 5, on mentionnera les nouvelles contraintes qu'ils apportent aux principaux modèles de théorie de l'inflation ont été obtenues. Ces nouvelles données défavorisent notamment les théories indiquant une valeur élevée de l'indice spectral (lequel est rélié aux fluctuations de densité entre différentes échelles dans l'Univers primitif), supérieure à 1. Enfin, en particulier, ces résultats ont réduit les valeurs possibles des paramètres déterminant les modèles d'inflation chaotique, exponentielle et hybride.