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Inflation de l'univers : Planck et Bicep2 n'ont pas vu les ondes du Big Bang

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L'Esa et le CNRS ont annoncé leur conclusion : les collaborations Planck et Bicep2/Keck, en combinant leurs observations, n'ont pas démontré que la polarisation du rayonnement fossile qu'ils ont observée implique une phase d'inflation dans l'univers très primordial. C'est la fin d'un suspens qui durait depuis mars 2014. Cependant, la traque aux ondes gravitationnelles du Big Bang va continuer à l'aide d'expériences au sol, en ballon ou dans l'espace. Futura-Sciences revient sur cette saga qui a tenu en haleine le monde de la cosmologie durant presque une année.

Les secrets de la mission Planck  Le satellite Planck constitue une formidable machine à remonter dans le temps, capable de nous livrer plusieurs secrets sur l'origine, la structure et la composition de l'univers. Les cosmologistes et les astrophysiciens l'ont utilisé pour cartographier sur la voûte céleste, avec une précision inégalée, les fluctuations de température et de polarisation de la plus vieille lumière du monde, celle du rayonnement fossile. Cette vidéo réalisée par le consortium HFI-Planck, l'agence de communication Canopée et avec l'aide de Jean Mouette, de l'IAP (Institut d'astrophysique de Paris), nous explique en quoi consiste cette mission. 

Le 17 mars 2014, les membres de la collaboration Bicep (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) ont annoncé qu'après trois saisons d'observations au pôle Sud d'une région du ciel (le southern galactic hole) et des mois passés à éliminer des sources d'erreurs possibles, ils pensaient avoir détecté et mesuré les modes B de l'inflation. Il s'agit d'une polarisation particulière de la plus vieille lumière de l'univers, celle du rayonnement fossile, qu'auraient provoquée les ondes gravitationnelles générées lors d'une phase très primitive de l'histoire du cosmos observable. Durant cette période, le tissu de l'espace aurait subi une dilatation gigantesque, d'où le nom d'inflation.

« 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 août 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. Selon lui, les théories proposées pour décrire cette phase de l'univers primordial peu de temps après les observations de Planck conduisaient naturellement à la notion d'inflation éternelle et, avec elle, à l'existence d'un multivers.

Bicep2 et le pari de Stephen Hawking

L'un des membres de la collaboration Bicep, le Français Denis Barkats, nous avait permis de vivre de l'intérieur l'extraordinaire aventure qui l'avait conduit lui et ses collègues en Antarctique, au seuil de ce qui semblait l'un des Graal de la cosmologie moderne : une preuve convaincante de la théorie de l'inflation. Mais le chercheur, comme Max Tegmark, restait prudent. Une confirmation indépendante restait nécessaire et il prévoyait qu'elle viendrait peut-être des analyses alors encore en cours des observations de la mission Planck ainsi que de celle de Keck Array, une autre expérience menée au pôle Sud.

Bicep2 est situé près d'un autre radiotélescope, le South Pole Telescope. Jonathan Kaufman, à l’époque doctorant de l'université de Californie à San Diego, explique son fonctionnement. Les bolomètres de Bicep2 sont refroidis avec de l'hélium liquide. Comme celui-ci s'évapore en quelques jours, il faut périodiquement réalimenter le réfrigérateur équipant le radiotélescope. © Jeffrey Donenfeld, YouTube

Des voix n'ont en effet pas tardé à s'élever pour mettre en doute la solidité des résultats des analyses des observations de l'expérience Bicep2. Les tenants d'une alternative à la théorie de l'inflation, celle du modèle ekpyrotique qui prévoyait une absence de modes B générés par des ondes gravitationnelles primordiales, tel le cosmologiste Neil Turok, n'entendaient pas concéder à Stephen Hawking qu'il avait gagné son pari. Il faut dire que l'importance de l'intensité du signal des ondes gravitationnelles de l'inflation, que l'on peut mesurer par un paramètre nommé r (sa valeur est 0,2 selon les estimations de Bicep2), entrait en conflit avec une estimation déduite des premières analyses des observations de Planck (r < 0,11).

Une contribution des poussières galactiques sous-estimée

Surtout, les scientifiques ne pouvaient pas écarter l'hypothèse qu'une partie non négligeable du signal observé soit en fait due aux poussières galactiques, comme le pensaient initialement les membres de Bicep. Comme nous l'avait expliqué la cosmologiste Laurence Perotto, membre de la collaboration Planck, plusieurs signaux parasites perturbent la chasse aux modes B de l'inflation. Une partie des modes B détectables dans le rayonnement fossile provient par exemple de l'effet de lentille gravitationnelle faible des amas de galaxies, de la matière noire et des neutrinos qu'ils contiennent. Il est d'autres parasites, encore plus gênants : la contribution des poussières de la Voie lactée alignées par ses champs magnétiques.

Les bandes verticales grises représentent les canaux de fréquences dans lesquelles Planck a mesuré le rayonnement fossile (CMB). Les courbes en couleur représentent l'intensité des diverses émissions parasites qui se superposent au signal proprement cosmologique. On voit clairement que le rayonnement de la poussière galactique (dust) domine largement toutes les autres émissions au-delà de 300 GHz. © Adapté du Planck Bluebook par le JPL, Esa

En choisissant d'observer la voûte céleste dans la région du southern galactic hole, les membres de Bicep pensaient bénéficier d'une région peu bruitée. Mais, comme les mesures avaient été faites dans une seule bande de fréquences centrée sur 150 GHz, il n'était pas possible d'en être certain. A contrario, Planck dispose de neuf canaux d'observation dont sept permettent de mesurer la polarisation. En mesurant notamment le signal vers 353 GHz, il est possible de déterminer la contribution des poussières galactiques à la polarisation du rayonnement fossile.

Comme nous l'avait expliqué une autre planckienne, la cosmologiste Cécile Renault« ce choix n'est pas anodin. À cette fréquence, on est sûr que les émissions que l'on observe proviennent de façon écrasante des poussières galactiques dont on peut détecter la présence sur la voûte céleste. Le signal y est très fort et les mesures que l'on peut faire sont précises. Ce n'est pas le cas pour des fréquences plus faibles ». Des résultats partiels publiés en septembre 2014, provenant de la collaboration Planck, n'incitaient pas à l'optimisme. Tout le signal observé par les membres de Bicep2 pouvait effectivement être dû uniquement aux poussières de notre Galaxie.

Une nouvelle contrainte sur les modèles d'inflation

Les deux collaborations avaient donc décidé de joindre leurs forces et une publication commune était prévue avant la fin de l'année 2014. Elle vient finalement d'être mise en ligne sur arxiv et contient aussi des données collectées lors de l'expérience Keck Array. Elle confirme malheureusement que le signal découvert dans le southern galactic hole et ailleurs sur la voûte céleste peut parfaitement s'expliquer sans faire intervenir la théorie de l'inflation mais uniquement l'effet des poussières de la Voie lactée.

Comme l'explique le site Planck HFI, cela ne signifie pas qu'il n'existe pas une composante faible des modes B qui soit bien due aux ondes gravitationnelles de l'inflation. Mais elle reste en dessous du seuil où leur détection pourrait être annoncée comme établie en se basant sur les observations. Plus précisément, ce qui reste du signal observé par Planck, Bicep2 et Keck Array une fois que l'on a soustrait la part des modes B mesurés produite par la poussière galactique et l'effet de lentille gravitationnelle faible ne diffère d'un résultat nul que par un écart minuscule qui peut être interprété comme un simple bruit venant des instruments. Pour espérer aller plus loin, il faudra notamment des détecteurs plus précis.

D'autres données concernant la polarisation du rayonnement fossile ont été collectées à l'aide d'un ballon par la collaboration E and B Experiment (EBEX). Elles sont en cours d'analyse. Au sol, l'expérience Cosmology Large Angular Scale Surveyor (Class) est en préparation. Il ne s'agit que de quelques exemples de ce qui est développé pour succéder aux observations de Planck et Bicep2.

Ce que l'on sait maintenant toutefois c'est que le fameux paramètre r pour les ondes gravitationnelles de l'inflation doit être inférieur à 0,12. Cela reste une information intéressante et précieuse pour contraindre la jungle des modèles d'inflation et nul doute que plusieurs des théories proposées sont désormais éliminées. Heureusement, d'autres expériences sont prévues qui sont en mesure de détecter des signaux issus de l'inflation de plus faibles intensités. Comme pour la recherche de la matière noire avec le LHC, il va donc falloir à nouveau s'armer de patience. Mais après tout, il a bien fallu presque 50 ans avant que l'existence du boson de Brout-Englert-Higgs ne soit confirmée.

Une zone du ciel proche du pôle Sud galactique observée par Planck-HFI à 353 GHz. Les couleurs représentent l’émission de la poussière, une composante mineure mais cruciale du milieu interstellaire qui baigne la Voie lactée. La texture, elle, montre l’orientation du champ magnétique galactique ; une information déduite de la direction de l’émission de lumière polarisée par les poussières. La région indiquée par le pointillé blanc est celle observée par les expériences Keck array et Bicep2 depuis le pôle Sud. © ESA / collaboration Planck Remerciements : M.-A. Miville-Deschênes, CNRS – Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Sud, Orsay, France