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Big Bang (1/2) : la quête des ondes gravitationnelles avec Denis Barkats

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Sommes-nous sur le point de comprendre ce qui se passait pendant le Big Bang, quand l'univers observable n'était âgé que d'environ un milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde ? Peut-être, si les membres de la collaboration Bicep2 ont bel et bien réussi à détecter les ondes gravitationnelles prédites par la théorie de l'inflation. Acteur de cette aventure, le cosmologiste français Denis Barkats nous en parle de l'intérieur dans une interview en deux parties, dont voici la première.

À environ un kilomètre du pôle Sud, les radiotélescopes Bicep2 à gauche et South Pole Telescope à droite permettent à l'humanité de plonger son regard dans la nuit des temps, au tout début de l'origine de l'univers observable, lorsque les atomes et peut-être même les particules de matière n'existaient pas encore. Au fond à gauche, on voit une autre expérience, IceCube, qui sonde les arcanes du cosmos, mais à l'aide de neutrinos et non de photons. © Steffen Richter, université Harvard

Dans La nuit des temps, le célèbre roman de science-fiction de René Barjavel, une équipe de géophysiciens en Antarctique découvre un mystérieux signal qui va bouleverser l'idée que l'humanité s'est faite de son histoire et de son origine. Le signal que l'équipe de cosmologistes de la collaboration Bicep2 pense avoir découvert en travaillant à l'Amundsen-Scott South Pole Station, située exactement au pôle Sud, ne vient pas des profondeurs de l'inlandsis. Il vient du cosmos. Selon toute vraisemblance, il proviendrait d'une époque où l'univers observable, dont le rayon actuel est de 45 milliards d'années-lumière environ, tenait dans un volume dont la taille initiale était très inférieure à celle d'un proton, mais était en train de subir une phase d'expansion accélérée transitoire incroyablement rapide. Cette phase d'inflation, comme on l'a appelée, a été introduite en cosmologie par plusieurs chercheurs de la fin des années 1970 au début des années 1980 (On peut citer Robert Brout, François Englert et Edgard Gunzig en 1978 et plus tard Alexei Starobinsky, Alan Guth et Andrei Linde). Elle permettait de résoudre différentes énigmes sur lesquelles butaient les théoriciens. Nous aurons l'occasion d'y revenir ultérieurement dans un autre article.

Pour le moment, il suffit de savoir que la théorie de l'inflation permet d'expliquer en partie pourquoi l'univers est entré en expansion, pourquoi il contient de la matière et pourquoi il a pu former les étoiles et les galaxies qui se rassemblent pour former les structures à grande échelle que nous observons aujourd'hui et que l'on tente de mieux comprendre avec des simulations comme Deus.

L'origine du rayonnement fossile et pourquoi ses fluctuations de températures nous renseignent sur la naissance des galaxies. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © minutephysics, YouTube

Le rayonnement fossile et la cosmologie

Quelle est donc la nature du signal détecté par les membres de Bicep2 ? Il s'agit de ce qu'on appelle les modes B de la polarisation du rayonnement fossile (voir les explications dans la vidéo ci-dessous). Ce rayonnement de fond diffus cosmologique est, on le sait, une mine d'or pour les chercheurs. Il a été émis environ 380.000 ans après le Big Bang, quand les premiers atomes se sont formés parce que l'univers s'était suffisamment refroidi et qu'il était devenu en quelque sorte transparent : un événement cosmique que l'on appelle la recombinaison. Pour nous, il se présente sous la forme d'un rayonnement micro-ondes de corps noir, presque uniforme sur la voûte céleste, en provenance de régions formant une sphère dont nous sommes le centre. Nous ne pouvons pas voir plus loin (c'est-à-dire plus tôt dans l'histoire de l'univers), car ces régions plus éloignées sont opaques à la lumière comme si l'on voulait voir à l'intérieur du Soleil ou à l'intérieur d'un nuage.

À l'époque, le mélange de neutrinos, photons, noyaux, électrons libres et particules de matière noire était soumis à divers phénomènes qui faisaient fluctuer sa température et la polarisation de sa lumière. Ils vont conduire à la formation de ce qu'on appelle les anisotropies primaires du rayonnement fossile. De même que le son d'un instrument de musique nous permet de deviner sa forme et sa composition, les fluctuations de température et de polarisation du rayonnement fossile peuvent nous renseigner sur la géométrie, l'âge, le contenu de l'univers et aussi son histoire. On peut en tirer des éléments de réponse à de nombreuses questions sur l'univers. Est-il fini ? Quelle proportion de matière noire et de matière baryonique contient-il ? Quelle est sa topologie ? Quand les premières étoiles se sont-elles formées ? Mais, comme nous l'avait expliqué la planckienne Laurence Perotto, il existe un ensemble d'anisotropies secondaires produites sur le rayonnement fossile tout au long de son voyage vers nous par le contenu matériel de l'univers. Cela apparaît comme un signal parasite qui s'ajoute au signal primordial qui nous intéresse. Pour étudier le signal cosmologique du rayonnement fossile, il convient d'évaluer l'ampleur de ces signaux parasites et de les soustraire des observations si nécessaire.

L'inflation et la polarisation du rayonnement fossile

On a réalisé, depuis une trentaine d'années, que ces mesures pouvaient nous ouvrir une fenêtre sur la fameuse phase d'inflation que les théoriciens ont été conduits à postuler au tout début de l'histoire du cosmos. Les premières estimations concernant la nature de cette phase, au début des années 1980, conduisaient à penser qu'environ 10-35 s après le « temps zéro » du cosmos, les forces électrofaibles et l'interaction nucléaire forte qui constituaient une seule et même force ont commencé à se séparer, alors qu'une densité d'énergie prodigieusement élevée, douée d'une pression négative, existait encore dans l'univers. L'influence de cette pression, qui aurait duré entre 10-35 s et 10-33 s , aurait véritablement lancé l'expansion de l'univers que nous connaissons, mais elle aurait également dilaté si fortement l'espace à ce moment-là qu'une région de 10-25 cm, donc de l'ordre de la distance qu'aurait parcouru un rayon de lumière entre le temps de Planck et le début de la phase d'inflation, aurait atteint une taille de quelques centimètres à la fin de l'inflation.

Les fluctuations du rayonnement fossile ne concernent pas que sa température. Elles ont aussi trait à sa polarisation. Cette vidéo nous explique ce qu'est la polarisation du rayonnement fossile, sa relation avec les ondes gravitationnelles de l'inflation et la signification des mesures de Bicep2. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © minutephysics, YouTube

Cette dilatation extrême de l'espace aurait étiré les longueurs d'onde des fluctuations quantiques de l'espace-temps lui-même. Des ondes gravitationnelles microscopiques de nature quantique, dont les échelles de temps et d'espace sont plutôt de l'ordre de 10-43 s et 10-33 cm, seraient alors devenues classiques et macroscopiques. Elles auraient donc été en mesure de laisser leurs empreintes sur des fluctuations de température et de polarisation de la lumière fossile à des échelles beaucoup plus grandes, juste au moment de la recombinaison, 380.000 ans après le Big Bang. Les empreintes macroscopiques de ces ondes gravitationnelles quantiques au niveau de la polarisation sont très spécifiques de la théorie de l'inflation. Ce sont elles qu'on appelle des modes B. En bonus, ceux-ci sont porteurs d'informations pour des théories quantiques de la gravitation encore en chantier, comme la théorie des supercordes ou la gravitation quantique à boucles, mais aussi pour les théories unifiées des interactions, comme les Gut supersymétriques.

Des « savanturiers » au pôle Sud

Connaître la nature de l'univers, son origine et son histoire, ce sont des interrogations philosophiques parmi les plus profondes et les plus anciennes de l'humanité. Des considérations qui précèdent, on comprend sans peine qu'étudier les anisotropies du rayonnement fossile, en particulier sa polarisation avec les modes B, est une extraordinaire aventure de la connaissance qui peut nous permettre de mieux comprendre comment l'univers est passé du Big Bang au vivant. Elle va conduire quelques « savanturiers » au pôle Sud dès le milieu des années 1980, avec les premières observations du rayonnement diffus cosmologique par des équipes des Bell Labs et des universités de Princeton dans le New Jersey et de Berkeley en Californie. Il ne s'agissait pas encore de mesurer les modes B, mais juste les fluctuations de température du rayonnement de fond diffus. Ces expériences ont pavé la voie à celles de la collaboration Bicep2 qui a donc annoncé récemment qu'elle pensait avoir détecté les modes B cosmologiques.

Il se trouve que, comme dans le roman de Barjavel, des Français ont participé aux expériences de la collaboration Bicep. L'un d'eux n'est pas inconnu des lecteurs de Futura-Sciences puisqu'il s'agit de Denis Barkats, actuellement astronome système d'Alma au Chili. Le cosmologiste a bien voulu répondre aux questions de Futura-Sciences. Il nous parle aussi de son parcours qui l'a conduit à participer à une découverte qui, si elle venait à être confirmée (ce qui semble probable), serait aussi importante que la découverte du rayonnement fossile par Arno Penzias et Robert Wilson en 1965.

Denis Barkats alors qu'il était en mission au pôle Sud, à la recherche des ondes gravitationnelles dans le rayonnement fossile. La lecture du roman de Barjavel La nuit des temps a influencé le cosmologiste, qui y voit l'une des sources de son intérêt pour l'Antarctique et la recherche scientifique. © Denis Barkats

« J'ai très tôt cherché à comprendre le comment et le pourquoi des choses, comment fonctionnait le monde », confie le chercheur. « J'ai pour cela commencé à étudier la physique, ce qui m'a tout d'abord amené à l'université Stanford, puis je suis parti à l'université de Princeton pour passer un doctorat. Là-bas, j'ai eu la chance extraordinaire de rencontrer des chercheurs de premier plan travaillant sur le rayonnement fossile. » Il faut dire que Princeton est un haut lieu aussi bien de la cosmologie théorique que de la cosmologie observationnelle. Einstein, le père de la cosmologie relativiste, a passé la fin de sa vie à Princeton et John Wheeler, qui a été le leader du renouveau de la relativité générale aux États-Unis à la fin des années 1950 et pendant les années 1960, y a été longtemps le collègue d'Einstein.

Le rayonnement fossile et l'essor de la cosmologie moderne

C'est aussi là-bas que le grand Robert Dicke, qui s'était lancé dans des tests expérimentaux de la relativité générale, comprend en 1965 avec ses collègues David Wilkinson et James Peebles qu'ils viennent juste de se faire « griller » par Arno Penzias et Robert Wilson. Les deux jeunes collègues de Dicke avaient en effet entrepris de construire un instrument pour détecter le rayonnement fossile prédit par la théorie du Big Bang, lorsqu'ils ont entendu parler du mystérieux excès dans le domaine des micro-ondes détecté depuis 1964 par les deux radioastronomes. Les deux hommes utilisaient une antenne de télécommunication par satellite des Bell Labs, située à Holmdel dans le New Jersey. Ils voulaient étudier les ondes radio émises par la Voie lactée, quand ils sont tombés sur un bruit de fond d'origine inconnue, présent sur toute la sphère céleste. En le mentionnant à un ami du MIT, Penzias a fini par apprendre qu'un groupe de Princeton avait probablement une explication pour l'anomalie qui les tracassait, Wilson et lui.

Depuis, l'université de Princeton est très impliquée dans les recherches sur le rayonnement fossile. James Peebles, qui avait sans le savoir retrouvé les prédictions d'Alpher sur ce rayonnement de fond diffus, a fait par la suite des contributions théoriques importantes à la théorie du Big Bang, au niveau des calculs de la nucléosynthèse primordiale de l'hélium notamment. Il a beaucoup contribué également à la mise en place du modèle de la matière noire froide complété par la résurrection de la fameuse constante cosmologique d'Einstein. David Wilkinson est devenu, quant à lui, un grand nom de l'étude observationnelle du rayonnement fossile. Il a réalisé ses premières études en ballon (pour s'affranchir de certaines limites liées à l'atmosphère) et les premiers instruments de mesure de la polarisation du rayonnement fossile. Wilkinson a aussi joué un rôle clé pour la réalisation de la mission Cobe (Cosmic Background Explorer) et c'est en hommage à ses contributions que son nom a été donné au successeur de Cobe, WMap, qui est l'acronyme de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe.

David Todd Wilkinson (1935-2002) ne s'est pas contenté d'aider à la réalisation des missions Cobe et WMap qui ont révolutionné l'étude du rayonnement fossile. Un grand nombre des cosmologistes qui ont fait des contributions importantes dans ce domaine ont été un moment ses élèves. © Nasa

Denis Barkats a eu la chance de travailler un peu avec David Wilkinson avant son décès en 2002. Mais c'est avec une de ses anciennes doctorantes, Suzanne Staggs, que le Français décrochera son doctorat en 2004. Ses travaux ont porté sur l'expérience Capmap (Cosmic Anisotropy Polarization Maper), un radiotélescope de sept mètres de diamètre qui a fourni les premières mesures à petites échelles angulaires de la polarisation du rayonnement fossile mais avec les modes E, pas ceux associés à l'inflation. Capmap n'est situé qu'à quelques centaines de mètres de l'antenne de Holmdel, désormais historique, et c'est Robert Wilson en personne qui va la présenter à Denis Barkats. Par la suite, il aura l'occasion de travailler à plusieurs reprises avec le prix Nobel sur Capmap.

Denis Barkats, premier « winterover » de l’expérience Bicep1

Mais Denis Barkats rêve de grands espaces et d'aventures qui ne sont pas seulement scientifiques. Le New Jersey fait pâle figure dans son cœur devant d'autres expériences menées ailleurs dans le monde sur le rayonnement fossile par certains de ses collègues. Son doctorat en poche, il se met en quête d'une opportunité pour compenser ce qu'il décrit comme une véritable frustration tout en continuant ses recherches. Il finit par en trouver une : Bicep (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). Cette fois-ci, il s'agit d'une expérience destinée à terme à mesurer les modes B de l'inflation et elle doit se faire en Antarctique. Elle se prépare en particulier au California Institute of Technology (Caltech), là où enseignait le légendaire Richard Feynman.

Le chercheur ne veut pas que prendre part à la conception de l'instrument et à l'exploitation de ses observations, il veut aller sur place pour participer à la prise de données. La première réaction du responsable de la mission en Antarctique a été : « Hors de question ! » Il faut dire que passer du temps au pôle Sud n'est pas donné à tout le monde, il faut être particulièrement résistant psychiquement et physiquement. Or, pour conduire l'expérience Bicep sur place, il faut accepter d'être ce que les Anglo-Saxons appellent un « winterover ». Ce terme désigne une personne qui passe l'hiver à l'Amundsen-Scott South Pole Station. Alors que pendant l'été le soleil est haut en permanence, c'est l'obscurité pendant un hiver qui dure six mois et aucune possibilité de quitter la station en avion pendant neuf mois, de la mi-février à début novembre.

Denis Barkats réussit tout de même à convaincre. Il sera finalement le premier winterover de l'expérience Bicep1, qui fonctionnera pendant trois hivers de 2006 à 2008. L'expérience Bicep2, qui lui succédera avec un instrument plus sensible, permettra de prendre des mesures elle aussi pendant trois saisons, de 2010 à 2012.

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