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Planck et le nouveau son du Big Bang

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Les fluctuations de températures du rayonnement fossile portent en elles la mémoire d'ondes sonores. Elles se propageaient dans le plasma chaud de l'univers quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang. Comme pour WMap, John Cramer vient d'extraire ce son des données de Planck pour le rendre audible.

Voici la nouvelle carte des fluctuations de température du rayonnement fossile sur l'ensemble de la voûte céleste. Le pôle nord céleste est en haut et le pôle sud en bas. Elle a été réalisée par la collaboration Planck à partir des données recueillies par les instruments HFI et LFI du satellite. L’écart par rapport à la température moyenne de -270,425 °C, mesurée par le satellite Cobe en 1992, va de -486 (en bleu foncé) à +538 millionièmes de degré Celsius (en rouge). © Esa, collaboration Planck

En 2003, le physicien John Cramer de l'université de Washington à Seattle est devenu célèbre autrement que par son interprétation nouvelle de la mécanique quantique. Utilisant les données de WMap, il avait en effet reconstitué en quelque sorte le « son du Big Bang ». Mais que faut-il vraiment comprendre à cette affirmation ?

Remontons dans le temps, après les trois premières minutes de l'histoire de l'univers observable, lorsque les premiers noyaux de deutérium et d'hélium sont apparus, comme nous l'a appris Ralph Alpher. Avant l'émission du rayonnement fossile, l'univers est encore un plasma chaud. Sa densité excède celle de l'atmosphère sur Terre, mais bien qu'aucun atome n'existe encore, rien ne s'opposait à ce que des ondes sonores se propagent dans ce plasma.

Des ondes sonores dans un plasma brûlant

Comme le son provoque la compression et l'expansion de portions de gaz, il contribue à réchauffer ou refroidir localement ce plasma. On peut donc trouver des traces de ces ondes en étudiant le spectre des fluctuations de températures du rayonnement diffus.

L'existence de ces ondes sonores était bien connue des cosmologistes lorsqu'ils ont révélé la courbe du spectre de puissance angulaire du CMB avec WMap, et mis à la disposition de tous les données sur le rayonnement fossile déduites des mesures de la sonde. Mais c'est bel et bien John Cramer qui a eu l'idée de s'emparer de ces données pour en tirer, dans le domaine audible à l'oreille humaine, ce qui a rapidement été nommé le « son du Big Bang ».

Une image extraite d'un poster de la mission Planck. La sonde est représentée en bas à gauche, et en arrière-plan, on voit une portion de l'image brute de la voûte céleste qu'elle a enregistrée. Les symboles en haut à droite sont des paramètres cosmologiques, notamment les densités de matière ou la constante de Hubble, que l'on peut déduire des données de Planck. © Esa

Polarisation de la plus vieille lumière du monde à approfondir

La collaboration Planck vient récemment de publier à son tour les résultats qu'elle a obtenus avec sa première analyse du rayonnement fossile. À cause des lois mêmes de la physique, la carte des fluctuations de température est désormais connue avec une précision insurpassable. On ne fera jamais mieux.

En revanche, on analyse encore les fluctuations de la polarisation de la plus vieille lumière du monde. On pourrait y trouver des traces d'une nouvelle physique, comme celle de la gravitation quantique. Dans ce domaine, Planck n'apporte pas le mot de la fin. D'autres expériences sont possibles et prévues pour étudier encore plus finement cette polarisation.

Toujours est-il que John Cramer vient de se saisir des résultats de Planck concernant les fluctuations de température. Mais devant leur complexité, il s'est contenté cette fois-ci d'utiliser le spectre de la courbe de puissance angulaire du rayonnement fossile (voir la vidéo ci-dessous).


Une représentation de la courbe du spectre de puissance angulaire du rayonnement fossile, déduite du modèle cosmologique standard complété par la théorie de l'inflation. Ce schéma est en quelque sorte une courbe de puissance moyenne du rayonnement (en ordonnée) donnant l'importance des fluctuations de température en fonction de la résolution en échelle angulaire (en abscisse). C'est d'elle que John Cramer a extrait le « son du Big Bang ». La taille et la position des oscillations dépendent du contenu, de l'âge, de la taille de l'univers, et de bien d'autres paramètres cosmologiques encore. Les points et les barres rouges représentent les mesures de Planck avec des barres d'erreur. © Collaboration Planck, John Cramer, YouTube

Le son d'un bébé univers plat et sans énergie noire

En revanche, comme dans le cas de WMap, il a d'abord écrit un petit programme avec le célèbre logiciel Mathematica du créateur du moteur de recherche Wolfram Alpha. Avec ce programme, Cramer a extrait les données sur le son se propageant dans le plasma primordial, environ 380.000 ans après le Big Bang. Les fréquences de ce son étant trop basses pour être audibles, il a fallu qu'il les transforme pour les faire passer dans la bande accessible à l'oreille humaine. Enfin, il a simulé le comportement de ce son en fonction de l'expansion de l’univers, de manière à couvrir environ ses premiers 760.000 ans.

Pour cela, il a considéré une solution des équations d'Einstein représentant un univers plat et sans énergie noire. C'est une bonne approximation, puisqu'à cette époque, l'expansion de l'univers était largement dominée par la matière noire. Sa géométrie, que l'on ne peut encore distinguer de celle d'un univers plat dans l'hypothèse où il ne le serait pas, devait aussi pouvoir être considérée comme euclidienne à ce moment-là.

Au final, et en accélérant l'évolution des ondes sonores pendant des centaines de milliers d'années, pour la réduire à quelques minutes, on peut maintenant écouter le son du Big Bang avec la vidéo ci-dessus. On entend clairement les fréquences de ce son devenir de plus en plus basses, les longueurs d'onde étant étirées par l'expansion de l'espace au fur et à mesure de sa décélération, jusqu'à devenir inaudibles.

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