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Planck éclaire l'énigme de la nature de la matière noire

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Le rayonnement fossile contient-il la preuve de la théorie de l'inflation sous la forme de traces d'ondes gravitationnelles primordiales ? Le suspense dure toujours alors que l'on discute à Ferrara, en Italie, des derniers résultats issus des analyses des observations de Planck. Mais elles nous renseignent déjà sur la nature des neutrinos et sur... ce que ne sont pas les particules de matière noire. Les modèles standards en cosmologie et en physique des particules en sortent très renforcés, comme l'a expliqué à Futura-Sciences l'astrophysicienne Cécile Renault, membre de la collaboration Planck.

Les secrets de la mission Planck  Le satellite Planck constitue une formidable machine à remonter dans le temps, capable de nous livrer plusieurs secrets sur l'origine, la structure et la composition de l'univers. Les cosmologistes et les astrophysiciens l'ont utilisé pour cartographier sur la voûte céleste, avec une précision inégalée, les fluctuations de température et de polarisation de la plus vieille lumière du monde, celle du rayonnement fossile. Cette vidéo réalisée par le consortium HFI-Planck, l'agence de communication Canopée et avec l'aide de Jean Mouette, de l'IAP (Institut d'astrophysique de Paris), nous explique en quoi consiste cette mission. 

Comme nous l'annoncions dans un précédent article, les membres de la collaboration Planck s'apprêtaient à rendre publics cette semaine, à l'occasion d'une conférence entre experts qui se tient du 1er au 5 décembre à Ferrara en Italie, certains des résultats des analyses des données complètes de la mission Planck. C'est chose faite, comme l'indique le site de Planck HFI.

Comme nous l'a rappelé l'astrophysicienne Cécile Renault, que Futura-Sciences a interrogée à cette occasion : « les premiers résultats cosmologiques publiés en avril 2013 portaient sur des données collectées par HFI et LFI correspondant à deux couvertures du ciel. Ceux que nous publierons bientôt sont issus de presque 5 couvertures du ciel avec HFI et 8 avec LFI ». Pour mémoire, le satellite Planck était équipé de deux instruments, LFI (Low Frequency Instrument) et HFI (High Frequency Instrument), qui observaient le ciel en radio pour le premier et dans les domaines submillimétrique et infrarouge lointain pour le second. HFI ne pouvait fonctionner qu'à la température extrême de -273,05 °C, soit seulement 0,1 degré au-dessus du zéro absolu.

Le système de réfrigération nécessaire à son fonctionnement utilisait des réserves d'hélium qui ont été épuisées début 2012. Seul LFI a continué à fonctionner jusqu'en octobre 2013. En effectuant plusieurs couvertures du ciel, les instruments de Planck ont donc permis de faire l'équivalent d'une longue pose pour la réalisation d'une photographie de qualité et donc riche en informations. La fin de l'année 2014 était la date prévue de la publication de résultats encore plus précis et surtout plus complets qu'en 2013.

Depuis la publication des premiers résultats des analyses des observations de Planck en 2013, les travaux se sont poursuivis. Cette vidéo nous explique de quelle nature pourraient être les nouvelles découvertes découlant de ces travaux qui concernent la date de la réionisation et la théorie de l'inflation. © Collaboration Planck, Canopée

Le suspense continue pour Bicep2

Tout le monde retenait son souffle dans l'attente d'une conclusion sur la découverte des ondes gravitationnelles primordiales annoncée par les membres de la collaboration Bicep2. Allait-elle être réfutée par les mesures de Planck portant sur la polarisation du rayonnement fossile, plus exactement sur les fameux modes B ? Dans l'interview qu'il avait donnée à Futura-Sciences, le cosmologiste Max Tegmark nous avait dit à ce sujet : « c'est une controverse particulièrement passionnante. Si la découverte des ondes gravitationnelles de l'inflation venait à être confirmée ce serait une révolution en cosmologie et elle mériterait l'attribution d'un prix Nobel ». Les deux collaborations avaient joint leurs forces et combiné leurs observations pour tenter d'y voir plus clair, car les mesures de Bicep2 pourraient être interprétées uniquement par l'effet sur le rayonnement fossile des poussières de la Voie lactée.

Cécile Renault nous avait expliqué dans un précédent article que la carte de l'intensité de la polarisation des émissions dues à la poussière galactique dressée à partir des observations de Planck forçait les chercheurs à suspendre temporairement leur jugement. L'astrophysicienne a confié à Futura-Sciences qu'un article conjoint des collaborations Planck et Bicep devrait être publié d'ici la fin de l'année. La chercheuse précise : « l'Esa espère que cela pourra se faire en même temps que les articles techniques portant sur la totalité des observations de Planck dont la mise en ligne est prévue le 22 décembre (comme cadeau de Noël donc). Le contenu des articles de la collaboration Planck est déjà discuté pendant la conférence de Ferrara et il le sera aussi pour la conférence de Paris du 15 au 19 décembre ».

Les progrès de l’ère de la cosmologie de précision nous permettent d’année en année de mieux connaître le contenu de notre univers observable ainsi que son évolution au cours du temps. Comme le montre ce schéma, environ 400.000 ans après le Big Bang, l’univers était largement dominé par son contenu en matière noire non baryonique (la matière sombre) alors que le reste de sa densité était constitué en parts comparables par les photons, les neutrinos et la matière normale. La contribution à la densité du cosmos de l’énergie noire était alors complètement négligeable. Il n’en sera pas de même dans 10 milliards d’années car cette mystérieuse énergie sombre devrait alors constituer plus de 93 % du contenu de l’univers. © ESA, collaboration Planck

Matière noire et énergie noire ne sont pas des « épicycles »

En attendant ces publications, les nouvelles analyses du rayonnement fossile nous permettent déjà d'en savoir plus sur le contenu de l'univers observable et de consolider le modèle standard aussi bien en cosmologie que, comme nous allons le voir, en physique des particules.

Le spectre de la lumière des étoiles contient des raies, des sortes de bosses et de creux dans la courbe de l'intensité lumineuse, qui nous renseignent entre autres sur la composition chimique de l'atmosphère d'une étoile mais aussi sur son champ de gravité et son champ magnétique. On peut dresser l'analogue de cette courbe d'intensité pour les fluctuations de température et de polarisation selon les modes E (à ne pas confondre avec les modes B) du rayonnement fossile. Les courbes obtenues dépendent de l'échelle angulaire des observations effectuées avec HFI et LFI. Elles constituent une sorte de carte d'identité de notre univers et l'on peut y lire, grâce à la position et la taille de ces pics, les valeurs de ce que l'on appelle les paramètres cosmologiques. On peut ainsi connaître l'âge, la courbure de l'espace ainsi que le contenu en matière noire et en énergie noire du cosmos.

Ces paramètres peuvent être compatibles avec plusieurs modèles de cosmologies relativistes déduits de la relativité générale et de la physique des particules qui essaient de décrire notre univers. On peut chercher à les estimer au moyen de différentes observations et expériences. Mais lorsque les mesures sont peu précises ou très ciblés (on ne peut tester la valeur prédite de la pente d'une droite si on a deux points mal définis ou un seul point parfaitement défini), apparaissent des « dégénérescences », selon le terme consacré, ce qui est une façon de dire que plusieurs modèles reproduisent les observations. Les nouveaux résultats de Planck sont extrêmement intéressants à cet égard.

Les courbes décrivant les spectres des fluctuations de température et de polarisation (selon les modes scalaires E) sont passés de 7 pics en 2013 à 19 pics en 2014. La mesure du rayonnement fossile suffit désormais à elle seule pour déterminer et contraindre avec précision 6 paramètres cosmologiques. De la même façon qu'il est de plus en plus difficile d'ajuster au plus près des courbes arbitraires pour un nombre grandissant de points sur un graphique, il est devenu encore plus difficile d'imaginer que notre univers puisse être décrit par autre chose que le modèle standard en cosmologie. Remarquablement, les contraintes obtenues sont bavardes sur la nature de la matière noire ainsi que sur celle des neutrinos.

Spectres de puissance angulaire du rayonnement fossile mesurés par Planck en température (TT), en polarisation scalaire (EE) et en croisant température et polarisation scalaire (TE). L'abscisse est exprimée en multipôle, qui correspond à l'inverse d'une échelle angulaire ( l=200 correspond à 1 degré environ, l=30 à 6 degrés, l=1.500 à 0,13 degré soit 8 minutes d'arc). Le modèle est représenté par les lignes rouges alors que les mesures correspondent aux point bleus. Planck permet à la polarisation du rayonnement fossile d'entrer dans l'ère de la cosmologie de précision. © ESA, collaboration Planck

Planck confirme l'existence des neutrinos du modèle standard

Lorsque l'univers était encore très chaud, la pression de la lumière pouvait s'opposer à l'effondrement de certaines de ses fluctuations de densité de matière tout comme elle s'oppose aujourd'hui à l'effondrement du Soleil sous son propre poids. Des concentrations de masses inférieures à certaines valeurs n'ont donc pas pu s'effondrer en étoiles et groupement d'étoiles. Du fait de leurs faibles masses et à grandes énergies, les neutrinos se sont comportés pendant un temps un peu comme les photons. Ils ont donc aussi contribué à gommer certaines fluctuations de densité, ne laissant subsister que celles qui vont donner par effondrement des groupements de matière de masses supérieures à une valeur donnée.

« On peut lire dans les spectres des fluctuations de température et de polarisation selon les modes E et en considérant également les effets de lentille gravitationnelle sur le rayonnement fossile, la valeur maximale possible de la masse des neutrinos, explique Cécile Renault. Planck nous dit aujourd'hui qu'elle doit être inférieure à une masse de 0,23 électron-volt, ce qui est plus de deux millions de fois plus petite que celle d'un électron.

On peut aussi poser des bornes sur le nombre de types de neutrinos. Il est de 3 dans le modèle standard de la physique des particules, spectaculairement vérifié par les mesures faites avec le LEP et le LHC. Les données de WMap ouvraient la porte à l'existence d'un quatrième type de neutrinos, par exemple des neutrinos stériles légers. On ne peut pas vraiment affirmer que les observations de Planck excluent radicalement l'existence d'autres neutrinos, car il existe une grande variété de théories à ce sujet. Mais ce qui est sûr, c'est que le rayonnement fossile ne fournit plus d'arguments convaincants en faveur de leur existence. Les données de Planck sont parfaitement compatibles avec le modèle standard, nous n'avons pas besoin pour les expliquer d'introduire d'autres neutrinos.

En fait, la situation est encore plus contraignante. Les mesures impliquent l'existence de particules qui se trouvent précisément avoir plusieurs caractéristiques qui sont celles des neutrinos du modèle standard. À nouveau, les résultats de Planck apparaissent comme une confirmation solide et très sérieuse de la cosmologie moderne. »

Schéma des contraintes apportées par diverses expériences sur le produit (section efficace x vitesse) et la masse de la particule de matière noire. La zone bleue est exclue par Planck 2014 à 95 % de niveau de confiance, le trait jaune indique quelle partie était déjà exclue par WMap 9. La ligne pointillée verte montre la sensibilité ultime d'une expérience mesurant le rayonnement fossile avec la même résolution angulaire que Planck. La bande rouge correspond aux modèles avec une densité relique thermique considérés comme les plus naturels. Les cercles gris foncé indiquent les valeurs préférées d'après les excès de rayonnement cosmique mesurés par Pamela/AMS-02/Fermi. Les étoiles en gris clair montrent les modèles de matière noire qui s'ajustent au mieux à l'excès mesuré par Fermi en direction du centre galactique. Les zones hachurées illustrent les incertitudes d'origine astrophysique sur ces calculs. © ESA, collaboration Planck

Lorsque l'univers s'est refroidi, les neutrinos se sont comportés comme des particules de matière noire et ils ont contribué avec elle à la formation des grandes structures comme celles regroupant les amas de galaxies. Bien qu'il existe un fond de neutrinos cosmologiques fossiles et que le nombre de ces neutrinos dans l'univers observable soit supérieur à celui des photons fossiles, leurs masses sont bien trop faibles pour rendre compte de l'existence des galaxies et des amas de galaxies. Il est nécessaire pour cela, ainsi que pour expliquer les caractéristiques du rayonnement fossile, de postuler l'existence de particules qui ne sont pas contenues dans le modèle standard.

Les positrons d'AMS ne seraient pas dus à la matière noire

Il existe un zoo très riche de nouvelles particules qui pourraient tenir le rôle de particules de matière noire et faisant intervenir de la nouvelle physique comme la supersymétrie. Certaines de ces particules peuvent se désintégrer ou encore s'annihiler lorsqu'elles rencontrent leurs antiparticules. Cela se traduit par exemple par l'émission de photons gamma, de positrons ou la production de protons et d'antiprotons. En fonction de leurs masses et d'une caractéristique du taux de désintégration ou d'annihilation des particules de matière noire, il est possible de calculer l'effet qu'auraient celles-ci sur les fluctuations de températures et de polarisation. Elles se comportent en effet un peu comme des sources de chaleur à l'instar des éléments radioactifs à l'intérieur des planètes. On peut d'ailleurs poser des contraintes sur les particules de matière noire de cette façon aussi par l'effet qu'elles auraient eu sur les réactions de nucléosynthèse primordiale.

« Les données fournies par Planck posent maintenant de sérieuses contraintes sur la physique au-delà du modèle standard en ce qui concerne la matière noire, conclut Cécile Renault. Il est ainsi devenu très difficile d'expliquer les anomalies dans les flux de positrons mesurés par AMS et Pamela dans l'espace en postulant comme source de ces positrons des annihilations de particules de matière noire. On avait déjà des doutes auparavant car cela nécessitait des modèles avec de la physique très exotique. Il semble très probable que ces flux de positrons aient des explications en terme de processus astrophysiques déjà connus, comme la présence de pulsars pas encore détectés dans la banlieue galactique du Soleil. D'autres modèles qui favorisent plutôt des annihilations ou des désintégrations donnant des photons gamma restent encore en lice, comme certains de ceux qui ont été proposés pour expliquer des observations du centre galactique faites avec le télescope gamma en orbite Fermi. »

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Carte des fluctuations de la température du rayonnement fossile d’après les données de toute la mission Planck. L’unité, en millionième de degré, est l’écart à la température moyenne de 2,7255 kelvins issue des premières observations du rayonnement fossile avec la mission Cobe au début des années 1990. Aucun lissage n’a été appliqué. © Esa, collaboration Planck