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Inflation, énergie et matière noires selon WMap 7

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Les données des observations de Planck ne seront rendues publiques qu'en 2012. En attendant, celles obtenues au bout de 7 années par WMap viennent de l'être. Pas de révélations si ce n'est que l'accord entre le modèle dit LambdaCDM et les observations continue d'être excellent et que les anomalies, signatures possibles d'une nouvelle physique, invoquées dans le rayonnement fossile par certains chercheurs, ne semblent finalement pas être présentes.

Une vue d'artiste de WMap dans l'espace. Crédit : Nasa / WMAP Science Team

On ne le répétera sans doute jamais assez, nous sommes entrés depuis quelques années dans l'ère de la cosmologie de précision. Les observations des télescopes au sol comme ceux du VLT, du Keck et en orbite comme Hubble, Chandra et WMap (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), permettent des mesures fines et indépendantes de plusieurs paramètres cosmologiques. Ils sont aujourd'hui déterminés à l'aide de phénomènes astrophysiques différents et la concordance des valeurs observées ainsi que la précision atteinte rendent très peu crédible l'invocation de l'influence d'une série de hasards malheureux, ou d'épicycles, pour mettre à mal la théorie du Big Bang.

Matière noire et énergie noire sont de plus en plus solidement établies même si leur nature exacte est encore mal comprise, et plusieurs des prédictions des modèles inflationnaire ont été observées. Toutefois, nous ignorons encore à quoi ressemble l'Univers au-delà de l'horizon cosmologique, s'il est fini ou infini, et même si il a eu un début ou aura une fin.

Si l'on en croit des théories comme celles de l'inflation chaotique de Linde, ou encore celle du paysage cosmique issue de la théorie de cordes avancée par Léonard Susskind, notre Univers observable pourrait bien n'être qu'une bulle infinitésimale transitoire dans un multivers éternel et infini. Il pourrait aussi être unique, fini mais osciller depuis toute éternité entre des phases d'expansion et de contraction comme le suggère par exemple la théorie de la gravitation quantique à boucle. Se poser la question d'un avant le Big Bang aurait donc un sens. Ce ne sont que des exemples des spéculations qui existent chez les cosmologistes et elles font souvent la part belle à la notion d'entropie, sans oublier celle de principe anthropique et toutes les questions philosophiques qui vont avec.

L'étude du rayonnement fossile, même si elle est limitée à notre Univers observable,  est cependant une excellente illustration de la maturité de la cosmologie scientifique, fournissant des réponses bien déterminées. En témoigne la mise en ligne par l'équipe de WMap des résultats des analyses de sept années d'une sorte de longue pause photographique du fond cosmologique diffus. Appelé WMap 7, ce travail est le troisième bilan des observations de ce satellite qui est ainsi livré à la communauté des cosmologistes et astrophysiciens, sans oublier des physiciens des hautes énergies. La dernière (WMap 5) datait de 2008.

Les chercheurs ont à nouveau gagné en précision et réduit les biais d'observations possibles mais on cherchera en vain parmi les six papiers publiés sur arXivl'annonce d'une découverte importante révolutionnant le modèle standard de la cosmologie ou la physique théorique.

Les observations de WMap sont suffisantes à elles seules pour corroborer un modèle cosmologique dépendant de 6 paramètres fondamentaux contenant de la matière baryonique, noire et de l'énergie noire dans les proportions suivantes si l'on prend le plus simple modèle Lambda CDM (en ajoutant d'autres paramètres pour des modèles un peu plus complexes, ces valeurs changent légèrement).

  • 0,0449 + /- 0,0028 pour matière baryonique
  • 0,222 +/- 0,026 pour la matière noire
  • 0,734 +/- 0,029 pour l'énergie noire

En revanche, bon nombre d'anomalies dans le CMB qui avaient été signalées par différents chercheurs ne sont plus vraiment là, ou plus exactement, elles ne représentent plus un écart statistiquement significatif par rapport aux observations.

Les chercheurs de l'équipe de WMap mettent d'ailleurs à nouveau en garde contre la tendance de l'esprit humain à introduire abusivement des corrélations et des régularités là où seul le hasard intervient et il mentionne l'exemple célèbre de la soi-disant présence des initiales de Stephen Hawking dans la carte de fluctuations de température du rayonnement fossile.

En haut, la carte des fluctuations de températures du rayonnement fossile vue par Cobe au début des années 1990. En bas une des cartes fournies il y a quelques années par WMap. Certaines fluctuations statistiques peuvent faire croire à tort à l'existence d'anomalies, comme celle montrée ici au centre de l'ellipse. On voit en effet les initiales de Stephen Hawking ! Crédit : Nasa

Un Univers bien peu courbé

Ainsi les observations de WMap 7 ne font plus apparaître comme crédibles des asymétries du fond diffus cosmologique entre les deux hémisphères ou au niveau des modes dipolaire et quadripolaires de la courbe de puissance du CMB. Les points froids n'auraient rien de particulier et il n'y aurait pas non plus d'alignements entre les modes quadrupolaire et octopolaire qui seraient incompatibles avec un modèle LamdaCDM minimal.

Toujours est-il que la précision désormais atteinte avec WMap permet de commencer à tester la présence et la nature de l'énergie noire sans faire appel aux observations des supernovae. Jointes à d'autres, les mesures de WMap montrent par exemple que la nature de l'énergie noire est parfaitement compatible avec ce que l'on attend d'une vraie constante cosmologique et au final la courbure de l'Univers apparaît comme plate à moins de 1% près.

Dans un modèle LamdaCDM minimal, l'âge de l'Univers est évalué maintenant à 13,75 +/- 0,13 milliards d'années. Pour mémoire et toujours dans le cadre de ce modèle minimal il était de 13,69 +/- 0,13 milliards d'années avec WMap 5.

La matière noire est toujours bien présente dans les observations de WMap 7 et de nouvelles bornes ont pu être posées sur sa nature. On peut par exemple se servir de ces observations pour soutenir que l'axion ne peut pas être une composante majeure de la matière noire, mais il n'y a encore rien de certain à ce sujet. Pour le moins, l'espace des paramètres concernant l'axion est désormais plus restreint.

WMap 5 avait détecté une signature du fond neutrinos et posé là aussi des bornes sur le nombre de neutrinos de types différents dans l'Univers observable et la somme de leurs masses. Les mesures du LEP étaient favorables à l'existence de seulement trois familles de neutrinos, en bon accord avec les limites précédemment données par la théorie et les observations de la nucléosynthèse primordiale qui avaient été les premières à suggérer une telle borne. WMap 7 confirme à nouveau un bon accord avec le modèle standard même si le dernier mot à ce sujet n'est peut-être pas dit.

Les mesures donnent aujourd'hui comme valeurs :

Somme Mneutrino

et pour le nombre d'espèces de neutrinos :

Ne = 4,34 +0,86/-0,88 (avec un degré de confiance de 68%)

La nouvelle carte du spectre de puissance fournie par WMap 7. Crédit : Nasa/WMap Science Team

Un mystère au sein des gaz intergalactiques

Il y a cependant une nouveauté et elles concernent la matière baryonique. Si la théorie du Big Bang prédit que l'essentiel de l'hélium est d'origine primordiale et que sa proportion par rapport à l'hydrogène a été peu changée à l'échelle cosmologique par la nucléosynthèse stellaire, son abondance dans le cosmos était déduite de la composition chimique des étoiles. La mesure plus précise de la courbe de puissance du rayonnement fossile jointes aux mesures d'expériences au sol comme celles de QUaD permettent aujourd'hui de détecter et de mesurer la présence d'hélium dans l'Univers observable au moment de la recombinaison, c'est-à-dire avant que n'apparaissent les premières étoiles.

Pour la première fois, on a donc une mesure de l'abondance de l'hélium cosmologique avant l'apparition des étoiles et, sans surprise, celle-ci est à nouveau en accord avec la théorie du Big Bang.

Il existe dans le rayonnement fossile des anisotropies secondaires de températures dont l'une des plus intéressantes est celle causée par l'effet Sunyaev-Zel'dovich au niveau des amas de galaxies. Les électrons du plasma de gaz chaud émettant des rayons X à l'intérieur des amas peuvent entrer en collision avec les photons du CMB selon le principe de l'effet Compton inverse. Cela change donc la distribution en énergie des photons fossiles passant à travers un amas et ce changement est relié aux caractéristiques de cet amas.

Les observations de WMap 7 sont compatibles avec ce qu'on déduisait d'eux à partir des observations en rayons X, mais cette fois, elles entrent en conflit avec les modèles théoriques, suggérant que quelque chose nous échappe dans l'hydrodynamique du gaz intergalactique.

Remarquablement, en revanche, la théorie du rayonnement fossile prédisait une nette corrélation entre les zones froides-chaudes et l'état de la polarisation du CMB selon des figures bien déterminées. Cette prédiction a été vérifiée comme le montre l'image ci-dessous.

Comparaison des prédictions et des observations concernant les fluctuations de températures et la polarisation autour des points (spot) chauds (hot) et froids (cold) dans le CMB. Crédit : Nasa / WMap Science Team

Comme nous l'avait expliqué Laurence Perotto dans un précédent article, l'un des buts de la mission Planck est de détecter d'éventuels modes B de polarisation et aussi des non-gaussianités d'origine primordiale dans les fluctuations du rayonnement fossile. Si WMap a bien détecté les modes dits E depuis un certain temps, il n'y a toujours pas trace des modes B prédits par la théorie de l'inflation, ce qui n'est guère surprenant car les chances d'en voir avec WMap étaient très faibles. Il n'y a toujours pas de trace significative non plus de ces non-gaussianités.

Ces informations négatives placent cependant des contraintes sur les modèles d'inflations possibles qui sont très nombreux (voir par exemple l'article de William H. Kinney). De plus, les chercheurs croient distinguer des signes d'une différence entre les intensités des fluctuations à grandes échelles dans le rayonnement fossile qui seraient légèrement plus faibles que celles à petites échelles, ce qui est effectivement ce que prédisent nombre de modèles inflationnaires.

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