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Le rayonnement fossile et la théorie de l’inflation

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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On a beaucoup parlé de la possibilité de mesurer avec Planck les fameux modes B de polarisation du CMB, ce qui constituerait une preuve convaincante de la théorie de l'inflation. Mais il n'est malheureusement pas impossible que les instruments de Planck ne puissent nous fournir une telle preuve. En effet, la conception du projet a débuté au milieu des années 1990 et ce n'est que plus tard que l'étude de ces modes B s'est ajoutée au programme de la mission.

Juste après le Big Bang, entre une période s'étendant de 10-43 à 10-35 seconde après un hypothétique temps zéro de l'univers observable, on a de bonnes raisons de penser que l'expansion de l'univers a subit une très forte, mais transitoire, accélération. Cette brève période de temps s'appelle l'inflation et elle serait une conséquence d'une nouvelle physique, comme celle de la gravitation quantique ou des théories de GUT. Très fortement dilaté, l'univers observable aurait continué son expansion mais en gardant dans le rayonnement fossile la mémoire de cette phase d'inflation. Quatre cents millions d'années plus tard environ, les premières étoiles se formaient et un milliard d'années après ce temps zéro, les premières galaxies étaient déjà bien présentes, parfois de grandes tailles et riches en éléments lourds. Des milliards d'années plus tard, l'expansion de l'univers accéléra à nouveau sous l'effet de l'énergie noire (dark energy en anglais) et le Système solaire se forma 8,7 milliards d'années après la naissance de l'univers observable. © Rhys Taylor, Cardiff University

« La mesure des mode B de polarisation, indique Laurence Perotto, constituerait effectivement la vérification de la dernière prédiction de l'inflation non encore avérée : l'existence d'un fond d'ondes gravitationnelles primordiales générées pendant la phase inflationnaire. Ces ondes gravitationnelles créent une polarisation du CMB avec des propriétés bien spécifiques, qu'on a appelées "mode B de polarisation". Une mesure des modes B permettrait de mieux contraindre les scénarios d'inflation et en particulier donnerait une indication sur l'échelle des énergies mises en jeu à la fin de la phase inflationnaire.

Pour l'instant, WMap, combiné à d'autres sondes cosmologiques, a permis d'imposer une limite supérieure à la contribution des ondes gravitationnelles rapportée à celle des fluctuations de densité. »

L'effet des ondes gravitationnelles amplifiées par l'inflation, s'il existe réellement, est vraiment très faible. De plus, de nombreux modèles inflationnaires ont été publiés, comportant des paramètres ajustables.

Dans certains cas, on peut s'attendre à avoir un effet assez fort mais, comme le note Laurence Perotto, « il s'agit d'une mesure extrêmement délicate, un vrai défi d'analyse de données, car les observations seront contaminées par des bruits, provenant des émissions polarisées d'avant-plan mais aussi des effets de l'instrument lui-même. La moindre erreur sur les caractéristiques réelles du détecteur entraîne une confusion entre le mode E (dont le signal est au moins un ordre de grandeur plus fort) et le mode B de polarisation ».

Alan Guth et Andrei Linde, les pères principaux de la théorie de l'inflation, finiront peut-être par décrocher le prix Nobel de physique mais il est probable que cela soit plutôt grâce à la quatrième génération de sondes dédiées à l'observation du CMB. La Nasa étudie d'ailleurs la mission baptisée Experimental Probe of Inflationary Cosmology (Epic) dont la tâche est clairement indiquée par son nom. L'Esa étudie un projet similaire sur lequel travaille le groupe CMB du LPSC Grenoble. Il s'agit de BPOL.

Il ne faut pas partir battu pour autant. Nous pourrions avoir de la chance ! Si Planck livre une preuve de l'existence d'une phase d'inflation à un moment donné dans l'histoire du cosmos observable, ce serait vraiment une révolution considérable car cela fournirait des indications précieuses pour de la physique au-delà du modèle standard. Cela pourrait concerner la théorie des cordes ou celles de Grande Unification, les célèbres GUT.

Une carte de la polarisation du rayonnement fossile fournie par WMap. © Nasa

Zoom sur sept paramètres cosmologiques fondamentaux

Au début des années 1990, certains théoriciens, comme l'actuel directeur du Perimeter Institute, Neil Turok, étaient encore très favorables à l'idée que les germes de fluctuations de densités à l'origine de la formation des structures de l'univers (ex amas de galaxies) provenaient des défauts topologiques prédits par les théories de Grande Unification, en particulier ces fameuses cordes cosmiques.

Laurence Perotto nous explique à ce sujet que : « Les scénarios mettant en jeu des transitions de phases dans l'univers primordial (telles les GUT lorsque le potentiel de grande unification se brise) ont la fâcheuse tendance de produire des défauts topologiques (cordes cosmiques, monopoles, textures, etc.). Comme, par ailleurs, il nous faut expliquer comment passer d'un univers primordial très homogène à l'univers actuel organisé en galaxies, amas de galaxies, etc., les défauts topologiques ont constitué de sérieux candidats comme mécanisme à l'origine des structures. Après Cobe, énormément d'expériences, au sol ou en ballon, ont été développées pour mesurer plus en détail les anisotropies de température - parmi ces expériences, on peut citer Boomerang, Dasi, Maxima, Archéops... Ce sont de telles observations, obtenues avant même les résultats de WMap, qui ont confirmé que les défauts topologiques ne pouvaient pas expliquer correctement les fluctuations de températures dans le CMB et, au final, c'est le scénario de l'inflation et de la matière noire froide qui a été favorisé.

Très précisément, c'est la mesure des pics acoustiques, présents sur la courbe du spectre de puissance angulaire du CMB, qui a sonné le glas du modèle de formation de structures basé sur les défauts topologiques et ce au profit du modèle actuel de l'origine des structures mettant en jeu l'inflation. Ce sont des fluctuations quantiques dans l'univers primordial, rendues macroscopiques par la phase d'expansion accélérée de l'inflation, qui fournissent les "germes" des actuelles grandes structures de l'univers. Ensuite, celles-ci croissent par effondrement gravitationnel dans l'univers en expansion. Au passage, l'inflation dilue les défauts topologiques qui ont pu être créés lors de transition de phases, ce qui expliquerait pourquoi ils n'ont pas encore été observés. »

Cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas de cordes cosmiques dans l’univers observable. Mais elles ne peuvent pas servir à expliquer la formation des grandes structures. En fait, on aimerait bien qu'elles existent, même en petit nombre, car cela permettrait justement de tester de la nouvelle physique à des énergies mille milliards de fois plus grandes que celles accessibles au LHC. Précisons quand même que les cordes cosmiques des GUT ne sont pas celles de la théorie des supercordes, même si cette dernière autorise aussi la formation de cordes cosmiques.