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Expérience QUaD : elle conforte énergie et matière noires

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Grâce aux conditions exceptionnelles du Pôle sud, on peut mesurer depuis le sol la polarisation du rayonnement fossile. Le bilan des observations effectuées est en bon accord avec les prédictions reposant sur l'existence de la matière et de l'énergie noire.

En haut, une carte de fluctuations du rayonnement fossile fournie par QUaD et en bas le télescope de 2,6 m protégé par son bouclier. Crédit : Nicolle Rager Fuller, NSF

La lumière naturelle peut être décrite comme l'oscillation d'un champ électrique perpendiculaire à la direction de propagation des rayons lumineux. Cette oscillation s'effectue cependant de façon aléatoire dans le plan perpendiculaire à un rayon lumineux en un point de l'espace. Lorsque ce n'est pas le cas, la lumière est dite polarisée.

Le vecteur champ électrique peut par exemple décrire un cercle dans ce plan ou rester le long d'une droite de direction fixée. On parle alors de polarisation circulaire dans le premier cas et de polarisation linéaire dans le second. L'existence de cette polarisation peut renseigner sur l'état du milieu dans laquelle se propage la lumière ou sur ses interactions passées avec de la matière.

Le rayonnement fossile cosmologique, appelé encore CMB ou rayonnement de fond diffus, possède un spectre de corps noir presque parfait mais certaines fluctuations de température de l'ordre de 10-5 y sont néanmoins visibles. Elles sont reliées aux fluctuations de la densité de matière baryonique dans l'univers observable primordial. Il se trouve qu'il existe aussi des fluctuations dans l'état de polarisation de la lumière du CMB.

Celles-ci peuvent se décomposer en deux parties que l'on appelle des modes E et des modes B par analogie avec la façon dont se comportent les champs électriques et magnétiques. Les modes E renseignent sur le champ de vitesse de la matière environ 380.000 ans après la recombinaison et les modes B sont à priori les résultats des effets de lentilles gravitationnelles exercés par les distributions de matière s'intercalant entre nous et les régions dont proviennent les photons du CMB que nous observons aujourd'hui.

Les modes E ont déjà été observés par WMap mais découvrir aussi des modes B seraient très intéressant. En effet, si l'univers observable a subi une phase d'inflation, une partie du signal des modes B devrait alors tirer son origine d'ondes gravitationnelles primordiales amplifiées par l'inflation. Cette partie s'ajouterait à celle issue des effets de lentille qu'il faudrait bien connaître pour les soustraire du signal total des modes B.

Des mesures plus précises que celles de WMap

Les modes E sont produits au moment de la recombinaison par les dernières interactions entre photons et particules de matière. Si l'on conjugue des mesures fines des fluctuations de température avec des mesures fines de fluctuations dans la polarisation du CMB au niveau des modes E, il est possible d'en déduire des informations sur les paramètres cosmologiques décrivant un modèle d'Univers. C'est par exemple le cas pour l'existence de la matière noire et de l'énergie noire et pour leurs proportions. Des preuves très convaincantes ont déjà été données depuis quelque temps pour la première.

Le télescope QuAD au cœur de son bouclier le protégeant du rayonnement réfléchi par le sol, au Pôle sud. Crédit : Sarah Church

Une partie du spectre de corps noir du CMB, autour du millimètre de longueur d'onde, est peu contaminée par les effets d'avant-plans, comme la poussière et le rayonnement synchrotron présent dans les galaxies, ce qui facilite la détection des modes E. Malheureusement, la vapeur d'eau est très absorbante à ces longueurs d'onde et c'est pourquoi il est nécessaire d'effectuer des observations au Pôle sud, là où l'atmosphère est particulièrement sèche.
 
Pendant deux ans, les membres de la collaboration QUaD (QUEST at DASI) ont mis à profit le support mécanique d'une précédente expérience, DASI (Degree Angular Scale Interferometer), pour effectuer des observations précises du CMB avec le Q U Extra-galactic Survey Telescope (QUEST).

Ces chercheurs viennent de publier plusieurs articles faisant le bilan de ces observations. Ils ont pu améliorer la précision des mesures déjà fournies par WMap et ainsi poser de nouvelles bornes sur l'existence de modes B dans le rayonnement fossile. Remarquablement, les observations fournissent des estimations des paramètres cosmologiques sur les abondances de matière noire et de matière baryonique normale, ainsi que la contribution de l'énergie noire, en bon accord avec le modèle de concordance.

Le modèle LambdaCDM se trouve à nouveau conforté par les observations. Toutefois, quelques légères déviations pourraient bien être le signe de la présence d'une nouvelle physique d'après les chercheurs.

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