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Le rayonnement fossile et Planck

Dossier - Le rayonnement fossile : clé pour la cosmologie
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Le rayonnement fossile, aussi appelé Cosmic Microwave Background ou CMB, est la lumière la plus vieille du monde et les cosmologistes l’analysent aujourd'hui à partir de sa carte sur la sphère céleste dressée par le satellite Planck.

  
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Si l'on veut être plus précis sur ce que l'on attend des mesures de Planck, on peut dire que l'on espère avoir de nouveaux  éléments de réponses à des questions fascinantes comme :

Planck est une véritable machine à voyager dans le Temps, qui devrait nous permettre de remonter loin dans l'histoire de l'univers observable, nous donnant de précieux renseignements sur son évolution depuis le Big Bang. © ESA
  • Quel est l'âge et la forme de l'univers ?
  • Quel sera le futur de l'univers, expansion infinie, implosion ou autre ?
  • Quand l'univers est-il devenu transparent ?
  • Quand les premières étoiles et les premières galaxies se sont-elles formées ?
  • Quelles sont les formes de matières et d'énergie qui emplissent l'univers ?
  • Quels mécanismes ont initié la formation des galaxies ?

L'étude du rayonnement est donc d'une grande importance pour les cosmologistes. C'est pourquoi il a donné lieu à de nombreuses travaux théoriques et observationnelles. Ainsi, Planck représente la troisième génération de satellites destinés à observer le rayonnement de fond diffus, après Cobe et WMap. La sensibilité de Planck sera plus de 30 fois supérieure à celle de WMap et on pourra atteindre une résolution angulaire de l'ordre de 5 minutes d'arc alors que Cobe se limitait, au mieux, à 7° et que WMap s'en tient à 13 minutes d'arc.

Une précision qui ne pourra plus être dépassée

On peut aussi comparer les observations de WMap et de Planck à celles d'une photographie avec un certain temps de pose donné. Pour collecter suffisamment de lumière afin de former une image la plus nette possible de l'univers observable, alors qu'il n'était âgé que de 380.000 ans environ, il suffira d'une année à Planck contre 450 ans à WMap.

Animation montrant la décomposition en harmoniques sphériques (indice l) des fluctuations angulaires sur la sphère céleste en bas, (une zone de 2° x 2° est agrandie en haut à droite) et le spectre de puissance qui en résulte (en haut à gauche). © APC

Pour la mesure des fluctuations de températures, la précision des instruments de Planck atteint une limite physique qui ne pourra être dépassée par aucun autre instrument. Cette limite est celle du bruit quantique des photons. En effet, Planck est équipé d'un réfrigérateur à dilution où un mélange d'hélium 3 et d'hélium 4, effectué une fois le satellite dans l'espace, refroidit l'instrument à un dixième de kelvin seulement. Le bruit thermique est donc réduit au minimum et il ne reste plus que les fluctuations quantiques inhérentes à la lumière du CMB elle-même pour limiter la précision des mesures des fluctuations de températures.

Laurence Perotto, qui travaille donc au laboratoire de Physique subatomique et de cosmologie de Grenoble au sein de la collaboration Planck, met en avant l'étonnante sensibilité de cet instrument. « Chaque détecteur (appelé bolomètre) de l'instrument haute fréquence de Planck, (HFI, High Frequency Instrument), atteint la sensibilité ultime au rayonnement CMB. La seule manière pour les expériences futures d'améliorer cette sensibilité consisterait à s'équiper de "matrices" de plusieurs centaines de bolomètres (Planck - HFI comporte 52 bolomètres). Cette extrême sensibilité permettra à Planck de fournir également une très bonne mesure de la polarisation du CMB et en particulier du mode E, très utile pour contraindre les scénarios de réionisation. »

On voit ici une comparaison des performances de Planck avec celles de ses prédécesseurs. En haut à gauche, les images de Cobe n'ont pas une grande résolution angulaire et les détails des fluctuations de températures du CMB sont lissés. En dessous, on voit que les images de Planck seront en une année d'observations plus précises que celles que fournirait WMap en 8 ans. En bas, on voit une simulation des cartes de polarisation du CMB que Planck devrait fournir. © Cnes