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L'inflation de l'univers enfin démontrée ? Résultats 2006 de WMAP

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On l'attendait depuis un moment, cela faisait près de deux ans que les dates de communications sur l'analyse des nouvelles données collectées par WMAP sur 3 ans, après la première moisson d'une année de février 2003, ne cessaient d'être repoussées. La blogosphère se remplissait de plus en plus de murmures, qu'avait donc trouvé l'équipe du Wilkinson Micro Wave Anisotropy Probe (WMAP) dans le rayonnement fossile primitif émis 380 000 ans environ après le Big Bang qui justifiait un tel délai ?

Certaines équipes, comme un groupe de théoriciens au CERN, n'avaient t'elles pas trouvé d'étranges corrélations dans le CMB susceptibles de remettre en cause les indications en faveur de l'inflation ? N'auraient-ils pas découvert de nouveaux éléments contre l'introduction d'une constante cosmologique et justifiant alors les doutes soulevés par le cosmologiste Alain Blanchard ? Voire même des indications solides en faveur des Univers multiplement connexes de Jean Pierre Luminet ?

Et puis, peu avant le 16 Mars 2006, l'information est tombée, l'équipe rendra publique ses conclusions ce jour-là vers midi, heure de la côte Est des Etats-Unis et donc 18 h pour la France.

Le résultat a surpris tout le monde, aucune nouvelle fracassante ... 'juste' la confirmation des conclusions déjà délivrées par les membres de la mission en 2003. Je dis 'juste' car, passée une certaine déception, le résultat reste superbe et d'une grande importance. Même aujourd'hui encore la cosmologie est toujours attaquée, à l'occasion, comme étant une pseudo-science ou la spéculation l'emporte sur les contraintes observationnelles.

Pour ce qui est du modèle cosmologique standard les résultats publiés ce 16 Mars rendent une telle opinion beaucoup moins facile à soutenir rationnellement et rien que cela suffit à ce qu'on salue l'événement.

Ceux-ci d'après Charles Bennett, un des principaux responsables de l'équipe WMAP, sont toujours favorables au modèle d'Univers dominé par la constante cosmologique et la matière sombre froide (Cold Dark Matter). Bien mieux, les nouvelles données de la sonde suffisent désormais à elles seules pour justifier l'introduction de ce modèle. Un Univers sans constante cosmologique (lambda) reste néanmoins possible (notamment si l'Univers est à courbure positive) mais il devient plus difficile de justifier son introduction si l'on conjugue les données de WMAP avec d'autres observations.

Un modèle lambdaCDM avec 6 paramètres (densité de matière, densité de baryon, constante de Hubble, amplitude des fluctuations primordiales de densité, profondeur optique, indice du spectre des perturbations scalaires) donne déjà un 'fit' excellent de notre Univers.

Retour en arrière

Revenons un peu en arrière pour apprécier l'événement à sa juste valeur.

D'après la théorie du Big Bang standard, l'Univers est baigné d'un fond de rayonnement micro-ondes très froid (2.7°K) ayant un spectre de corps noir quasi parfait et vestige des tout premiers instants de l'Univers. Or, dans la structure de ce rayonnement, se trouve codé un nombre important d'informations sur la forme, l'âge et le contenu de l'Univers, sur son origine aussi.

Lancée en 2001, la sonde WMAP avait pour mission d'enregistrer cette lumière des premiers temps du cosmos. Son but principal était alors de fournir la carte des fluctuations de température du rayonnement fossile, le CMB, en fonction des différentes régions du ciel. Les différences sont de seulement quelques 10-5 degrés kelvin ! Cela n'a l'air de rien mais c'est suffisant pour expliquer comment les galaxies sont nées à partir de zones de légères surdensités de matière dans l'Univers primordial.

Joints à des mesures sur les supernovae et les effets de lentilles gravitationnelles, une année d'observations et les analyses subséquentes avaient permis à l'équipe de WMAP de faire une communication retentissante en février 2003.

La géométrie de l'Univers était presque plate, la densité de l'Univers était donc presque la densité critique et celle-ci était dominée à près de 73 % par de l'énergie sombre, le reste étant de la matière. Enfin l'âge de l'Univers ainsi que d'autres paramètres fondamentaux de la cosmologie devenaient maintenant suffisamment bien connus pour qu'on puisse parler de début de l'ère de la précision en cosmologie. En outre, les indications en faveurs de la théorie de l'inflation devenaient plus convaincantes.

Deux ans d'accumulation d'observations et les raffinements des techniques d'analyses allaient-ils changer tout cela ?

Comme on l'a vu, pas vraiment !

L'âge de l'Univers reste estimé à 13.7 milliard d'années mais maintenant l'imprécision n'est plus que de 60 millions d'années au lieu des 200 millions d'années précédents. La partie la plus difficile de l'analyse a consisté à mettre en évidence la polarisation selon les modes E (électriques par opposition à B pour magnétiques) de la lumière fossile.

L'image ci-dessous fait apparaître ces fameux modes, les barres blanches indiquant la direction de polarisation de la lumière du CMB. On remarque aussi que les détails des fluctuations de température, les différences de couleurs, sont devenus encore plus fins.

Carte de la polarisation du rayonnement diffus

Il a fallu multiplier par 100 la sensibilité des antennes (par rapport à ce qui avait déjà été fait pour les fluctuations de température) afin de les utiliser comme une paire de lunettes polaroïd, recalibrer toute la sonde ainsi que modifier la façon de procéder à l'analyse des données. On a même dû réécrire le programme entier pour différents systèmes indique David N Spergel de l'Université de Princeton. On comprend mieux alors pourquoi il a fallu attendre si longtemps, mais le résultat en valait la peine.

D'après les conclusions de l'équipe, les premières étoiles se sont allumées environ 365 millions d'années après le débuts de l'Univers observable, réionisant partiellement la matière du cosmos. Le rayonnement micro-ondes de fond, déjà polarisé au moment du découplage de la matière et du rayonnement 380 000 ans après le début de l'Univers observable, voit cette polarisation modifiée partiellement par interaction avec un gaz d'hydrogène ionisé contenant noyaux et électrons libres arrachés aux atomes par la lumière des étoiles naissantes.

En mesurant précisément cette polarisation on a fait d'une pierre deux coups : mieux calculer la date précise de cette réionisation et améliorer l'estimation des autres paramètres du modèle en tenant compte de la perturbation occasionnée au CMB par celle-ci.

On sait donc désormais comment filtrer plus efficacement le rayonnement fossile pour avoir accès à son état avant cette réionisation.


Image d'artiste des premières étoiles de l'Univers

Les modèles les plus simples d'inflation, comme ceux présentés par Linde, sont toujours parfaitement compatibles avec les données. D'autant plus que le spectre des fluctuations possède maintenant un indice n qui semble légèrement inférieur à 1, exactement comme prévu par l'inflation, en outre un troisième pic acoustique est maintenant nettement visible.

‘fit' des données de WMAP - Angelica de Oliveira-Costa


Angelica de Oliveira-Costa fait partit des personnes ayant annoncé avoir mis en évidence des anomalies dans les parties quadripolaire (l=2) et octopolaire (l=3) de l'analyse spectrale des fluctuations de température du CMB. S'il reste un problème avec le quadripolaire les choses semblent être rentrées dans l'ordre pour l'octopolaire. Alan Guth, qui avait lancé l'idée d'inflation afin de résoudre des paradoxes de la cosmologie standard, à la fin des années 70 et au début des années 80, a été vu arborant un large sourire à une conférence dans les Caraïbes.

Alan Guth Andrei Linde

Nul doute que lui et Linde sont plus proches que jamais de l'attribution d'un prix Nobel !

Certains affirment enfin que ces résultats mettent à mal les modèles ekpyrotic et cyclique proposés par Turok et Steinhardt comme alternatives viables à l'inflation.

Ce dernier affirme qu'il n'en est rien, bien au contraire.

Enfin, comme indiqué précédemment, la densité moyenne de l'Univers est toujours très proche de la densité critique et sa géométrie est donc presque plate du point de vue de sa section spatiale.

On trouve que pour 74 % il s'agit de la constante cosmologique dont l'équation d'état semble plus que jamais correspondre à une vraie constante au cours du temps et pas à un modèle de quintessence impliquant une énergie du vide variable dans le temps. Enfin les 26 % restants donnent toujours la part belle à de la matière non baryonique pour 22% et 4% pour la matière ordinaire.

Cela découle justement des nouvelles précisions sur les mesures des fluctuations de température, les pics acoustiques et leurs amplitudes soutiennent maintenant fortement la matière sombre et, selon l'article publié par Spergel et all, défavorisent maintenant très nettement MOND, la théorie expliquant les courbes de rotation des galaxies non par de la matière noire mais par une modification des lois de la gravitation à grande échelle.

Un ensemble de résultats à la fois décevant et encourageant pour la communauté des physiciens des particules. D'un côté, une mise en évidence de la quintessence aurait probablement fourni des données observables permettant de tester des modèles de supergravité ou de théories des cordes, de l'autre la montée en puissance confirmée de la matière noire non baryonique conforte les partisans de l'introduction de nouvelles particules pour expliquer la courbe de rotation des galaxies. La prochaine étape consistera en la mise en évidence des modes B de polarisations du CMB, il s'agit de l'impact que des ondes gravitationnelles amplifiées par l'inflation ont eu sur la polarisation de celui-ci.

L'inflation fait, en effet, des prédictions bien spécifiques sur ceux-ci, en raison des succès déjà enregistrés, leur détection établirait cette fois solidement sa validité. En théorie, la continuation des observations par WMAP, et encore plus d'efforts pour l'étude des données recueillies, pourraient le permettre. En pratique, c'est le satellite Planck, qui sera prochainement lancé par l'ESA en 2007, qui devrait réaliser l'exploit. En supposant bien sûr que ces fameux modes soient bien là.

Paul Steinhardt à Princeton

Comme l'a dit Paul Steinhardt, « si vous voulez savoir d'où vous venez et où vous allez, c'est là qu'il faut chercher».

En résumé

- La mise en évidence d'un troisième pic acoustique et son amplitude impliquent l'existence d'une matière noire et non baryonique.

- Les données de WMAP sont compatibles avec un Univers presque plat, avec une énergie noire dont l'équation d'état est plus celle d'une constante cosmologique que d'une quintessence. La combinaison de ces données avec celles des supernovae, des structures à grandes échelles et des mesures de la constante de Hubble renforce l'idée d'une telle énergie.

- Le plus simple modèle pour la formation des structures, un spectre de fluctuation invariant d'échelle, n'est pas en accord avec les observations de WMAP. Celles-ci requièrent soit des modes gravitationnels tensoriels, soit un indice spectral inférieur à 1. Ces observations sont tout à fait ce qu'on s'attend à voir si l'inflation a été à l'oeuvre dans l'Univers, notamment le modèle de l'inflation chaotique.

Pour le reste, ni modes d'ondes gravitationnelles, ni fluctuations non gaussiennes n'ont été détectés, ce qui ne donne toujours pas de preuves définitives de l'inflation ni d'arguments en faveur d'Univers 'chiffonnés' (mais ne les exclut pas non plus).