Vue aérienne de la base antarctique Amundsen-Scott, située exactement au pôle Sud géographique. Les lieux de vie et de travail sont à gauche, les grandes expériences dédiées à l'astrophysique et à la cosmologie comme IceCube, Bicep, SPT et Keck Array sont à droite, à environ un kilomètre. On peut se laisser aller à rêver que la base soit la concrétisation de l'Expédition polaire internationale (EPI), la base en Antarctique du roman La nuit des temps de René Barjavel. © Forest Banks, NSF

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Big Bang (2/2) : les coulisses de la chasse aux ondes gravitationnelles

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Nous sommes toujours sur la piste des ondes gravitationnelles du Big Bang en compagnie de Denis Barkats. Dans ce second volet, le cosmologiste, membre de Bicep2, raconte comment a eu lieu la découverte des modes B à laquelle il a participé. Si d'autres expériences en cours viennent confirmer la découverte de cette signature tant attendue d'une phase inflationnaire au tout début de l'histoire de l'univers, ce sera une révolution en cosmologie et en physique fondamentale.

Le 17 mars 2014, les membres de Bicep2 rendent finalement publics leurs résultats. Les responsables principaux de l'expérience, John M. Kovac (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), Chao-Lin Kuo (Stanford, Slac), Jamie Bock (Caltech-JPL) et Clem Pryke (University of Minnesota), expliquent lors d'une conférence retransmise sur Internet qu'ils ont toutes les raisons de penser qu'ils ont bel et bien détecté les modes B de la polarisation du rayonnement fossile spécifiquement causés par les ondes gravitationnelles de la théorie de l’inflation. C'est une bombe.

L'intensité des ondes gravitationnelles qu'aurait produites l'inflation serait plus élevée que le prédisaient bon nombre de modèles de la physique des hautes énergies, parmi d'autres. Surtout, les mesures semblent indiquer qu'une quantité appelée rapport tenseur-scalaire, notée r, est supérieure à une borne issue des estimations préliminaires obtenues en analysant les observations du satellite Planck. Cette quantité est en quelque sorte une mesure du rapport de l'amplitude des fluctuations des ondes gravitationnelles générées par l'inflation sur l'amplitude des fluctuations de densité de matière, aussi produites par l'inflation, qui serviront de germes à la formation des étoiles et des galaxies, comme l'explique la vidéo ci-dessous.

En mars 2013, les membres de la collaboration Planck livraient les premiers résultats de leurs analyses des caractéristiques du rayonnement fossile. Elles portaient sur ses fluctuations de température. Comme l’explique cette vidéo, les premiers résultats de Planck sont conformes à ce que prédisaient bon nombre de modèles de l’inflation par certains côtés, mais en diffèrent par d’autres. On ne sait pas encore ce que cela signifie. Les résultats de la collaboration Bicep2 apportent peut-être pour la première fois une preuve de la justesse de la théorie de l’inflation. Cette vidéo est intéressante parce qu’elle explique la signification de la carte des fluctuations de température du rayonnement fossile sur la voûte céleste, mais aussi parce qu’elle expose le problème des avant-plans qui parasitent le signal que l’on cherche à étudier. Elle illustre aussi la complexité de l’histoire des avancées scientifiques et la prudence qu’il faut savoir garder quant à l’interprétation des observations livrées par des expériences. © European Space Agency, Esa, YouTube

Les membres de Planck sont encore en train d'analyser leurs données à la recherche des modes B. L'estimation de r qu'ils ont fournie l'année dernière est en fait indirecte, mais elle était similaire à celle déjà obtenue à partir des mesures de WMap jointes à d'autres, issues par exemple du South Pole Telescope (SPT). Jusqu'à l'annonce des résultats de Bicep2, l'opinion générale était que la détection des modes B n'allait pas de soi, car les amplitudes des ondes gravitationnelles étaient probablement très faibles.

Planck, Bicep2 et la théorie de l'inflation

Denis Barkats se souvient du moment où les membres de son équipe et lui ont vu les modes B pointer le bout de leur nez dans les analyses des mesures de Bicep2. « On a découvert la présence des modes B en avril 2013. Notre première réaction a été un profond scepticisme. Quelque chose était très probablement allé de travers. Ce pouvait être un biais expérimental issu du détecteur, ou une erreur dans l'interprétation et l'analyse des données. Nous étions aussi plutôt embarrassés, parce qu'on ne pouvait rien publier sans avoir fait des contre-vérifications alors qu'il y avait une certaine pression pour que l'on rende compte rapidement des résultats de l'expérience. »

Les chercheurs vont donc passer plusieurs mois à vérifier toutes les sources possibles de contamination systématique d'origine instrumentale. « On a par exemple fait ce que l'on appelle des corrélations croisées entre les observations de Bicep1 et Bicep2, explique Denis Barkats. Nous n'avions pas trouvé de traces des modes B dans les signaux enregistrés par Bicep1. La sensibilité de Bicep1 nous avait permis de poser une borne sur le rapport tenseur-scalaire r qui devait être inférieur à 0,7. Les mesures de Bicep2 nous indiquaient que r devait valoir 0,2. »

« Des tests de corrélation croisée sont avantageux non seulement parce qu'ils font la moyenne de la sensibilité entre les deux expériences que l'on croise et permettent donc d'atteindre des sensibilités meilleures que Bicep1 tout seul, mais surtout parce qu'ils permettent de faire la discrimination entre un signal d'ordre instrumental et un vrai signal d'origine astrophysique. En effet, Bicep1 et Bicep2 sont deux radiotélescopes distincts et une corrélation croisée positive exclurait de façon très significative un signal venant d'un biais expérimental. La présence du même signal des modes B dans la corrélation croisée Bicep1xBicep2 a été décisive. »

Les fluctuations de la polarisation du rayonnement fossile dans les modes E et dans les modes B sont 100 et 1.000 fois plus faibles que les fluctuations de température, comme le montre les cartes ci-dessus. Il s'agit des observations de Bicep2. Les couleurs indiquent l'amplitude et le signe des modes E (haut) ou des modes B (bas). Des couleurs plus intenses indiquent donc des modes B plus amples. Les barres noires représentent l'état de la polarisation du rayonnement fossile. Elles se rassemblent en formant des sortes de cyclones sur la carte des modes B. Les fluctuations de densité de matière engendrent uniquement une polarisation du rayonnement fossile selon les modes E. Les fluctuations des ondes gravitationnelles produisent des modes E et B. © Collaboration Bicep2

Le rayonnement fossile et les avant-plans galactiques

Une autre source d'erreurs possibles lorsqu'on cherche à étudier le rayonnement fossile concerne différents signaux parasites et leur estimation, comme les avant-plans qui se manifestent au niveau des anisotropies secondaires de ces fluctuations de température et de polarisation. Les membres de Bicep2 ont été confrontés à une série d'avant-plans qui sont, par ordre d'importance décroissante, les signaux provenant de notre atmosphère, les anisotropies de température 100 à 1.000 fois plus fortes que celles de polarisation selon qu'on parle des modes E ou B, les avant-plans galactiques (par exemple les poussières de la Voie lactée) et enfin les avant-plans cosmologiques tels que ceux causés par l'effet de lentille gravitationnelle faible. Au sujet de ce bruit de fond, le cosmologiste explique que « les observations menées avec Bicep concernent une petite région de la voûte céleste de l'hémisphère sud que l'on appelle le southern galactic hole. Quand nous avions choisi cette région, notre meilleure estimation de la contamination par les avant-plans galactiques nous donnait une contamination équivalente à r = 0,01. Aux échelles angulaires auxquelles nous avons fait nos observations, quelques degrés, l'effet de lentille gravitationnelle faible des galaxies, qui peut engendrer des modes B, est négligeable sur le signal que nous avons observé. »

Une estimation des émissions de poussières de la Voie lactée vers 150 GHz, la fréquence d’observation de Bicep2. La sphère céleste est en coordonnées équatoriales. On voit une région sombre avec une ligne fermée blanche entourant CMB, l’acronyme en anglais de cosmic microwave background. C’est cette région du ciel, appelée southern galactic hole, qui permet à des radiotélescopes au sol de faire des observations de la polarisation du rayonnement du fond diffus cosmologique. Il faut pour cela se trouver dans une région avec l’air le plus sec possible (car la vapeur d’eau parasite ces observations) et très stable. L’avantage du pôle Sud est que le southern galactic hole peut être observé 24 heures sur 24 pendant toute l'année. Il occupe là-bas une région à élévation fixe dans le ciel qui se déplace simplement en azimut. © American Astronomical Society, Finkbeiner et al.

Denis Barkats précise aussi qu'« il existe des modèles qui permettent d'estimer les contributions des différents avant-plans galactiques. On peut les identifier notamment parce que les émissions parasites n'ont pas les mêmes spectres que le CMB (qui a un spectre de corps noir). Nous avons utilisé ces modélisations qui exploitent aussi les données provenant des observations de WMap et de Planck. À partir de données publiques, nous avons de plus construit nos propres modèles, fait des tests de corrélation croisée avec les mesures de Bicep1 et Bicep2 pour évaluer l'influence du bruit de fond avec tous ces modèles. Au final, nous sommes arrivés à la conclusion que les avant-plans galactiques ne contribuaient pas de façon significative aux modes B que nous observions. À partir de décembre 2013, nous avons commencé à penser que nos résultats devaient être solides. Nous devions bel et bien avoir réussi à mesurer les modes B provenant d'ondes gravitationnelles primordiales. »

Il s'agissait d'un résultat stupéfiant, qui reste toutefois à confirmer par d'autres observations. Le chercheur confie que lui-même pensait, comme la majorité des cosmologistes, que les différentes expériences en cours ou futures, conçues pour détecter cette signature de l'inflation, ne feraient jamais que poser des bornes supérieures de plus en plus basses sur les amplitudes des ondes gravitationnelles.

Les supraconducteurs, une clé de la cosmologie observationnelle

Il peut sembler étonnant qu'une expérience conduite sur Terre et à un bien moindre coût que Planck ait peut-être la première réussi à découvrir ce qui était tout de même souvent présenté comme le graal de l'étude du rayonnement fossile. Denis Barkats en donne une explication. « Les missions spatiales ont un cycle technologique d'environ 10 à 15 ans. À un moment, vous êtes obligés de geler la technologie utilisée pour vous lancer dans la construction des instruments. Le cycle technologique des missions au sol est plus court, environ cinq ans, et on peut, bien sûr, apporter bien plus facilement des améliorations. »

Dans le plan focal du radiotélescope Bicep2, on a placé un réseau de 512 bolomètres supraconducteurs, conçus pour fonctionner à 0,25 K (0,25 °C au-dessus du zéro absolu) dans le but de réduire le bruit thermique dans les détecteurs. Ce réseau, que l'on voit ici, a été fabriqué au Jet Propulsion Laboratory de la Nasa. La même technologie est utilisée pour chasser les particules de matière noire, par exemple avec l'expérience CDMS. © Anthony Turner, JPL

« Pour vous donner un exemple de la rapidité des progrès que l'on peut mettre en œuvre avec des expériences au sol, il suffit de savoir que la sensibilité de Bicep2 nous a permis de réaliser des observations qui auraient nécessité 30 ans si on les avait faites avec Bicep1. » Le chercheur ajoute que « paradoxalement, il est plus facile d'installer un instrument comme Bicep2 au pôle Sud que dans le désert de l'Atacama, où il existe aussi de bonnes conditions, un air très sec et stable, pour faire des observations concernant le rayonnement fossile. Avec 50 années de présence humaine, le pôle Sud offre une organisation et d'importants moyens logistiques en raison de l'existence de la base antarctique Amundsen-Scott. »

Bicep2 a bénéficié des progrès dans la technologie des bolomètres utilisant des transition edge sensors (TES) supraconducteurs couplés à des Squid. Il s'agit de détecteurs de photons très sensibles utilisant la supraconductivité. Ils doivent être refroidis à très basse température. Cela a d'ailleurs été rendu possible grâce à Lionel Duband, membre du service des basses températures de l'Inac, au CEA de Grenoble, qui a fourni le réfrigérateur de Bicep2. De la taille d'un grille-pain, il met en œuvre la technologie de réfrigération à adsorption avec de l'hélium 3 et de l'hélium 4, celle-là même qui a été utilisée pour les instruments d'Herschel.

Une visite au radiotélescope Bicep2. Il est situé dans le bâtiment bleu que l'on voit à droite d'un autre radiotélescope, le South Pole Telescope, au tout début de cette vidéo. C'est Jonathan Kaufman, à l’époque doctorant de l'université de Californie à San Diego, qui donne des explications. Les bolomètres de Bicep2 sont refroidis avec de l'hélium liquide. Comme il s'évapore en quelques jours, il faut périodiquement réalimenter le réfrigérateur équipant le radiotélescope. © Jeffrey Donenfeld, YouTube

Enfin une preuve de l’inflation dans l’univers très primordial ?

Comme l'explique le site Planck Planck HFI, les observations de Planck et Bicep2 sont toutefois complémentaires. Si les instruments de Planck sont moins sensibles que ceux de Bicep2, les Planckiens disposent tout de même d'une couverture complète du ciel et d'observations réalisées dans plusieurs bandes de fréquence, alors que celles de Bicep2 sont réalisées à 150 GHz et ne couvrent qu'environ 1 % de la voûte céleste. Selon Denis Barkats, « il se pourrait que ce soit précisément là que se trouve l'origine de la tension entre les mesures de Planck et celles de Bicep2 avec le rapport tenseur-scalaire. Il apparaîtrait plus élevé (r = 0,2) que ne le laissent supposer les estimations indirectes issues des données déjà analysées de Planck (r < 0,11), simplement parce que Bicep2 ne couvre qu'une petite fraction de la voûte céleste. Il s'agirait alors d'une simple fluctuation statistique. On peut aussi mettre d'accord les deux résultats en modifiant légèrement certaines hypothèses sur la théorie de l'inflation. »

En tout état de cause, pour vraiment se convaincre que l'on a enfin la preuve de l'occurrence d'une phase d'inflation dans l'univers très primordial, il faut des confirmations des mesures de Bicep2 par d'autres expériences. Il en existe plusieurs en cours dans le monde, comme Polarbear. Mais d'après Denis Barkats, pour 2014, on attend avec impatience les résultats des analyses des données de Planck qui devraient être publiés en octobre, ainsi que ceux du Keck Array, dont la publication est aussi attendue dans l'année. Il s'agit d'une série de cinq radiotélescopes similaires à Bicep2, mais qui utilisent un système cryogénique différent : des tubes à gaz pulsé. Ils sont voisins de Bicep2 au pôle Sud.

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