Une vue d'artiste de la sonde WMap. Elle a effectué ses observations à partir du point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil. © Nasa, WMap Science Team

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Inflation cosmique et énergie noire : les résultats finaux de WMap

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Le bilan des analyses de toutes les observations du rayonnement fossile faites au fil des années par WMap vient d'être publié sur arxiv. Toujours favorable à un univers à la géométrie plate dominé par une constante cosmologique, ce bilan renforce la théorie de l'inflation cosmique proposée la première fois par le cosmologiste russe Alexei Starobinsky.

Il a fallu attendre 1965 pour que l'on détecte par hasard le rayonnement fossile, les photons les plus vieux de l'univers observable, datant d'une époque où celui-ci n'avait pas encore formé d'étoiles. Cette découverte fut considérée comme la première preuve convaincante en faveur de la théorie du Big Bang, et cela ne s'est jamais démenti jusqu'à nos jours.

Bien au contraire, l'existence de cette lumière fossile, entrevue par Lemaître et Gamow mais véritablement théorisée par Ralph Alpher et son collègue Robert Herman, s'est révélée une extraordinaire fenêtre sur l'histoire primitive, la structure et le contenu du cosmos observable grâce aux observations de Cobe et WMap.


Le site Du Big Bang au Vivant (www.dubigbangauvivant.com ) est un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Hubert Reeves, Jean-Pierre Luminet et d'autres chercheurs y répondent à des questions à l'aide de vidéos. Voici un extrait parlant du rayonnement fossile. © Groupe ECP, YouTube

Les observations de WMap en particulier permettent de tester plusieurs prédictions de la théorie du Big Bang et de les confronter à d'autres mesures, comme celles venant des supernovae ou de la composition chimique des galaxies.

WMap et les paramètres cosmologiques

De la mesure des fluctuations de température et de polarisation du rayonnement fossile sur la voûte céleste, on peut déduire par exemple l'âge de l'univers, sa courbure spatiale, quand les premières étoiles se sont allumées et son contenu en matière et en énergie. Ces fluctuations de températures sont infimes mais on peut les faire apparaître sur des cartes comme celle que viennent finalement de publier les membres de la mission WMap, couronnant neuf années d'observations.

La dernière carte du rayonnement fossile dressée grâce aux observations de WMap. Les zones en bleu sont plus froides que les zones en rouge. La résolution de l’image est meilleure que pour la précédente carte établie par WMap. Les fluctuations de température y sont presque invariantes d'échelle et gaussiennes à la précision des mesures. © Nasa, WMap Science Team

Dans l'un des articles déposés sur arxiv, on peut prendre connaissance des dernières estimations des paramètres cosmologiques obtenues à partir des observations de WMap (et parfois en les combinant avec d'autres) portant, par exemple, sur les oscillations acoustiques des baryons (BAO pour baryon acoustic oscillations en anglais).

Ainsi, l'âge de l'univers observable a été mesuré à 1 % près et il est estimé à 13,77 milliards d'années. Alors que la matière noire était dominante au début de l'expansion de notre univers, elle ne constitue plus de nos jours que 24 % de la densité du cosmos, évincée par l'énergie noire avec ses 71,4 %. Il ne reste plus à la matière baryonique normale qu'une part congrue de 4,6 %, dont la moitié environ reste à découvrir.

La nouvelle composition de l'univers observable selon WMap 9 en 2012. L'énergie noire est toujours bien présente. © Nasa, WMap Science Team

En utilisant les dernières observations de WMap, éventuellement jointes avec d'autres (BAO, supernovae), il est toujours possible d'ajuster les paramètres d'un modèle cosmologique standard contenant de la matière noire et de l'énergie noire de telle sorte que sa courbure soit positive, comme dans le cas du modèle fini proposé par Jean-Pierre Luminet et ses collègues, et avec une énergie noire variant lentement dans le temps. Mais il faut bien dire qu'en l'état, la géométrie de l'univers observable apparaît très proche de celle d'Euclide. Enfin, l'énergie noire ne semble pas se comporter autrement que comme une véritable constante cosmologique.

WMap et l'inflation

Un univers plat, c'est justement l'une des prédictions faites à partir de la théorie de l'inflation cosmique développée depuis le début des années 1980 par différents chercheurs. Cette théorie prévoit que peu de temps après le temps de Planck (donc après l'ère dominée par la gravitation quantique), le cosmos a subi une phase d'expansion extraordinairement forte et rapide, de sorte que la partie observable aujourd'hui n'en constitue qu'une fraction peut-être ridiculement petite.

La théorie de l'inflation fait d'autres prédictions en ce qui concerne l'univers, notamment au niveau des spectres des fluctuations de température et de polarisation du rayonnement fossile. Elle les relie à des fluctuations de densité et du champ de gravitation sous formes d'ondes gravitationnelles dans l'univers très primitif.

La nouvelle chronologie de l'univers observable selon WMap 9. Le rayonnement fossile a été émis 375.000 après le Big Bang. Le cosmos est âgé de 13,77 milliards d'années, et les premières étoiles se sont allumées environ 400 millions d'années après le temps zéro. Ce sont des fluctuations quantiques, agrandies par l'inflation, qui seraient à l'origine des galaxies. © Nasa, WMap Science Team

Il existe actuellement un très grand nombre de théories de l'inflation. Mais elles partagent des prédictions génériques en commun sur les fluctuations du rayonnement fossile. Toutefois, des différences permettent parfois de départager ces théories (voire par exemple l'excellent article d'introduction de William H. Kinney sur la théorie de l'inflation). Certaines des prédictions génériques ont été vérifiées par Cobe et surtout les précédentes mesures de WMap. Stephen Hawking considère d'ailleurs que ces tests de la théorie de l'inflation sont les développements de la physique les plus importants depuis presque 50 ans.

WMap 9, comme on l'appelle, continue d'enfoncer le clou en faveur de la théorie de l'inflation, mais une véritable preuve n'a pas encore été apportée. Il s'agirait de la détection de ce qu'on appelle les modes B des ondes gravitationnelles. Seule une phase inflationnaire peut les produire. On en saura peut-être plus dans quelques mois avec la publication des résultats de Planck.

Le physicien théoricien et cosmologiste russe Alexei Starobinsky. Il a étudié la théorie quantique des champs en espace-temps courbes, les trous noirs primordiaux, le rayonnement fossile et l'énergie noire. © Institute for Theoretical Physics, RAS

En attendant, les membres de WMap soulignent que les dernières analyses faites avec le rayonnement fossile sont parfaitement compatibles avec des prédictions déduites de la toute première théorie de l'inflation, celle d'Alexei Starobinsky, un cosmologiste russe.

Alexei Starobinsky s'est d'abord fait un nom au début des années 1970 en travaillant sur la production quantique de particules en cosmologie avec son directeur de thèse, le grand Yakov Zel'dovich. C'est d'ailleurs vers eux que Stephen Hawking s'est tourné pour apprendre les bases de la théorie quantique des champs en espace-temps courbes, bases qui lui ont permis de découvrir le rayonnement des trous noirs.

Un univers sans singularité avant le temps de Planck ?

L'article intitulé A new type of isotropic cosmological models without singularity qu'il va ensuite publier au début de l'année 1980 considérait l'effet sur la géométrie de l'espace-temps de ce que l'on appelle les corrections radiatives en théorie quantique des champs. Elles conduisent à ajouter des termes aux équations d'Einstein.

Une solution de ces nouvelles équations, décrivant des phases quantiques très primitives de l'univers, peut alors être obtenue. Comme l'a montré Starobinsky, elle permet de remonter à un temps zéro de l'histoire de l'univers observable sans qu'une singularité de l'espace-temps, rendant impossible la compréhension du début de cet univers, ne soit présente. Une des conséquences du modèle de Starobinsky était justement une phase inflationnaire pour l'expansion de l'espace-temps.

La même année, Alan Guth publiait également une théorie de l'inflation, mais dans le but de montrer qu'elle permettait de résoudre divers autres problèmes rencontrés en cosmologie, notamment avec les monopôles magnétiques des théories de grande unification (GUT).

On s'accorde pour dire que c'est à Starobinsky que l'on doit la première théorie de l'inflation, même si celle de Guth est la plus connue. C'est l'une des plus simples, et il est remarquable que l'on puisse la relier aux modifications de la théorie de la relativité générale connues sous le nom de théories f(R). Elles ont été proposées pour rendre compte de l'accélération de l'expansion de l'univers sous l'effet de l'énergie noire.

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