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Planck 2 ira chercher les ondes gravitationnelles du Big Bang

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Il s'en est fallu de peu que le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne ne réussisse à détecter les effets des ondes gravitationnelles du Big Bang. Cela sera désormais le but de Planck 2, un satellite qui pourrait voir le jour à l'horizon 2025 si l'Esa décide de le construire. Olivier La Marle, du Cnes, fait le point sur la recherche.

La carte la plus précise du rayonnement du fond diffus cosmologique tracée par le satellite Planck de l'Esa. C'est dans cette zone qu'un Planck 2 ira chercher les effets des ondes gravitationnelles du Big Bang. © Esa, Collaboration Planck, D. Ducros

Les ondes gravitationnelles du Big Bang restent parmi les plus grandes découvertes scientifiques encore à réaliser. Elles sont prédites par les théories les plus solides actuellement. La relativité générale d'Einstein prévoit également que l'univers continue d'en produire aujourd'hui lors d'événements astrophysiques violents comme lorsque deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre puis fusionnent ou encore lorsqu'une étoile massive explose en supernova.

Il y a quelques semaines, la collaboration Planck infirmait les résultats des membres de la collaboration Bicep2 qui, en mars 2014, annonçaient avoir détecté les effets des ondes gravitationnelles du Big Bang dans le rayonnement fossile« Si la découverte des ondes gravitationnelles de l'inflation venait à être confirmée, ce serait une révolution en cosmologie et elle mériterait l'attribution d'un prix Nobel », nous expliquait en décembre 2014 Max Tegmark, cosmologiste mondialement réputé, qui a contribué à la mise au point des outils d'analyse des observations du rayonnement fossile par le satellite Planck. C'est également l'avis d'Olivier La Marle, responsable des programmes d'astrophysique au Cnes pour qui « la détection de ces ondes primordiales est une priorité ». Il s'en explique aujourd'hui.

Pour comprendre la difficulté de la tâche, il faut savoir qu'il « s'agit d'une signature très particulière dans la polarisation du rayonnement du fond diffus qui est hors de portée du satellite Planck et de toutes autres expériences actuelles ». Aujourd'hui, très peu doutent de l'existence de ces ondes qui, si l'on se fie à la théorie de la relativité générale, « déforment l'espace et se propagent un peu comme des vagues à la surface de l'eau ». Seulement, cette déformation entraîne une « distorsion de seulement 1 milliardième du diamètre d'un atome (10-19 mètre) pour une distance de quelques kilomètres ! » explique Benoît Mours, du laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules. Elle reste donc bien difficile à mesurer, même pour Planck.

Les ondes gravitationnelles déforment momentanément la trame de l’espace, ce qui produit un effet de rapprochement ou d’éloignement des objets. © P. Wooton, science Photo library

Et pourtant, ce satellite de l'Agence spatiale européenne est celui qui nous a fourni la carte du rayonnement du fond diffus cosmologique, plus communément appelé rayonnement fossile, la plus précise jamais tracée. « Planck nous a éclairé sur l'évolution de l'univers comme aucune autre mission auparavant », nous expliquait en octobre 2013 Alvaro Giménez, directeur Science et exploration robotique à l'Esa, quelques heures avant la fin de la mission. Il a réalisé les mesures les plus fines des « infimes fluctuations de densité présentes dans l'univers primordial qui par la suite donneront naissance aux grandes structures de l'univers ». Mais s'il peut remonter à la formation des premiers amas de galaxies ou donner la date de l'allumage des premières étoiles, Planck ne peut pas voir ces ondes tant recherchées. « C'est une mesure hors de portée pour lui », bien qu'il mesure déjà la polarisation du rayonnement avec un niveau de précision inégalé, cette précision est encore « insuffisante pour aller jusqu'à la polarisation que l'on recherche, c'est-à-dire émise par les ondes gravitationnelles lors du Big Bang ». Le signal qui intéresse les scientifiques est faible, voire très faible, et est de surcroît mélangé à des rayonnements d'avant-plan.

De plus, ces ondes formées lors du Big Bang n'existent plus... Pour les scientifiques, le but est donc de « détecter dans la lumière fossile du Big Bang les effets de ces ondes gravitationnelles ». Si elles n'exercent aucune « force », elles déforment momentanément la trame de l'espace, « ce qui produit un effet de rapprochement ou d'éloignement des objets ». Autrement dit, l'espace se contracte et se dilate temporairement mais, après le passage des ondes, tout redevient normal. Les chercheurs sont donc convaincus qu'elles « ont laissé des traces que l'on peut comparer à des rides à la surface de l'eau qui se forment lorsque l'on jette un cailloux ». C'est-à-dire que la « lumière réfléchie par l'eau crée des ombres (des parties claires et sombres) de sorte que notre œil comprend qu'il s'agit de petites vagues qui se propagent ». C'est donc la lumière qui vient jusqu'à nous et nous renseigne sur l'existence de ces ondes qui se propagent à la surface de l'eau. Dans le cas des ondes gravitationnelles, c'est pareil. « On veut mesurer dans la lumière du rayonnement fossile qui nous arrive de partout de l'univers la trace des déformations de l'espace qui se sont propagées dans les tout premiers instants de l'univers ».

Des variations de l'ordre d'un millionième

Techniquement, il est très compliqué de les détecter. En effet, bien que le rayonnement qui nous arrive du Big Bang soit relativement fort, « il est très difficile de mesurer les petites fluctuations d'intensité d'un point du ciel ». Il s'agit de variations de l'ordre d'un millionième et c'est encore « plusieurs ordres de grandeur plus bas qu'il est nécessaire d'atteindre lorsqu'il s'agit de mesure de la polarisation de ce rayonnement ». Pour mesurer ces variations infimes, il faut donc des détecteurs et des miroirs bien plus performants que ceux utilisés aujourd'hui et surtout que l'on « maîtrise parfaitement car ils fourniront un signal fortement entaché de leurs imperfections qu'il faudra corriger ». Cette correction explique pourquoi il a fallu du temps aux équipes de Planck pour livrer leurs premiers résultats.

Les trois satellites de l'observatoire spatiale eLisa de l'Agence spatiale européenne. À l'origine, cette mission devait se faire en collaboration avec la Nasa qui sortira du projet fin 2010. © Airbus Defence & Space

Le challenge est moins de « détecter [ces fluctuations] que de mettre au point l'instrument qui sera capable de le faire ». Si la théorie est exacte, les détecter devrait être possible. À l'époque ces ondes gravitationnelles étaient partout et le fond diffus cosmologique « était traversé en permanence par des tas d'ondes, dans tous les sens. Cela serait vraiment une grosse surprise de ne pas en trouver partout ».

eLisa, un observatoire spatial à trois satellites

Justement, des projets d'instruments existent pour détecter les ondes gravitationnelles émises lors du Big Bang. « Les plus réalistes sont ceux qui prévoient l'utilisation d'un satellite. » Depuis le sol, on est limité en termes de champ de vision et de longueurs d'ondes car l'atmosphère en absorbe une grande partie. Les équipes de Planck viennent de « remettre à l'Esa une proposition pour la réalisation d'un Planck 2 qui pourrait voir le jour à l'horizon 2025 ». C'est un projet de l'ordre du milliard d'euros. Il sera en concurrence avec des projets japonais et américains mais, compte tenu des budgets annoncés (quelques centaines de millions d'euros tout au plus), ces projets ne feront qu'une petite partie de la science du projet européen.

En attendant ce Planck 2, l'Esa a en projet eLisa, un observatoire spatial à trois satellites conçu pour détecter les ondes gravitationnelles produites aujourd'hui (mesures directes). Un satellite, Lisa pathfinder, construit par Airbus Defence & Space, sera lancé cet été pour tester les différentes nouvelles technologies nécessaires à eLisa.