Sciences

Le rayonnement fossile et les paramètres cosmologiques

Dossier - Le rayonnement fossile : clé pour la cosmologie
DossierClassé sous :Astronomie , rayonnement fossile , CMB

-

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.

  
DossiersLe rayonnement fossile : clé pour la cosmologie
 

Planck devrait permettre d'en savoir un peu plus sur la matière noire et l'énergie noire et on peut même dire que c'est l'un des domaines dans lequel il va surpasser ses prédécesseurs.

Trou noir. © JohnsonMartin, DP
Un schéma montrant la part relative de l'énergie noire (dark energy) dans l'univers. Son estimation varie mais on donne généralement une valeur légèrement supérieure à 70 %. La matière normale ne compterait que pour 4 % environ dans le contenu énergétique de l'univers observable, le reste étant de la matière noire (dark matter) © Nasa CXC M.Weiss

À elles seules, les observations de WMap ne permettaient pas de dire quelle était la part relative de l'énergie noire et de la matière noire. Plus généralement, les modèles d'univers que l'on considère dépendent de plusieurs paramètres cosmologiques, sept essentiellement, comme la courbure, la densité totale de l'univers, la constante de Hubble, la date de la réionisation, etc. Planck les mesurera avec une meilleure précision que WMap, et cela devrait permettre de départager certaines théories.

Ainsi, du temps de WMap, pour lever la dégénérescence entre différents modèles cosmologiques, comme on dit dans le jargon de la cosmologie, il fallait utiliser les observations des supernovae ou celles des distributions de galaxies fournies par le Sloan Digital Sky Survey. On pouvait aussi reproduire les observations du CMB à l'aide de différentes combinaisons de matière noire et d'énergie noire. Avec Planck, on continuera bien sûr à croiser les observations, d'abord parce que cela permettra de gagner encore de la précision dans la détermination des paramètres cosmologiques et aussi parce c'est un moyen d'éliminer les sources possibles d'erreurs et de biais.

« On est peu sensible à l'énergie noire avec les mesures du CMB seules, précise cependant Laurence Perotto, car avant le découplage, cette énergie noire, qui aujourd'hui domine la densité de l'univers, jouait un rôle peu important. L'univers était dominé par le rayonnement puis par la matière noire. Cette dernière a dicté l'évolution de l'univers depuis, en gros, l'époque à laquelle a été émis le CMB et pendant une bonne partie de la formation des structures ; ce n'est que dans l'univers très récent que l'énergie noire joue un rôle significatif. C'est pour cela qu'il est nécessaire de combiner les observations du CMB avec d'autres observations concernant l'univers plus récent - comme la luminosité des supernovae - pour avoir des informations sur l'énergie noire. »

La courbe de puissance du rayonnement fossile est pourtant un outil vraiment très puissant pour déterminer les paramètres cosmologiques. On peut s'en rendre compte en faisant varier certains de ces paramètres sur le site de WMap. On peut jouer sur la proportion relative d'atomes, de matière noire et d'énergie noire ou encore sur la vitesse d'expansion, avec la constante de Hubble. On obtient ainsi des univers d'âge et de courbure différents, fermés ou infinis.

Selon la valeur du paramètre Oméga mesuré par Planck, nous pouvons savoir si nous sommes dans un univers avec une géométrie spatiale plane ou courbe. Une courbure positive signifierait un univers fermé s'il est homogène. L'univers pourrait être clos même si sa géométrie est plate. C'est par exemple le cas avec un multitore. © Nasa

Vers une meilleure compréhension de l'univers primordial

« Que l'on mesure ou non le mode B de polarisation, ajoute Laurence Perotto, Planck permettra d'améliorer énormément notre connaissance de l'univers primordial et d'affiner les modèles d'inflation : on mesurera beaucoup mieux les paramètres qui fixent les conditions initiales de la formation des structures de l'univers. Dans le modèle actuel, celles-ci sont décrites avec quatre paramètres seulement et stipulent qu'il existe autant de perturbations de densité et d'ondes gravitationnelles primordiales à toutes les échelles angulaires. Si Planck montre que les conditions initiales sont plus compliquées - par exemple que les petites échelles angulaires sont originairement moins nombreuses que les grandes -, cela nous permettrait d'affiner notre modèle de la dynamique de l'inflation. Dans le même ordre d'idée, pour les modèles les plus simples d'inflation, toute l'information contenue dans les cartes de CMB (50 millions de pixels) peut se mettre sous forme du spectre de puissance angulaire (3.000 points). Avec Planck nous pourrons tester s'il ne subsiste pas de l'information cosmologique non utilisée dans les cartes, une fois réduites sous forme de spectres de puissance : il s'agit de la recherche de "non gaussianités primordiales". Plusieurs études tendent à montrer qu'il y aurait des petites "anomalies" dans les cartes de WMap, des structures, des alignements qu'on ne parvient pas à reproduire ni expliquer avec les modèles cosmologiques les plus simples. Planck remesurera la même carte mais avec beaucoup plus de précision ; révélant qu'il s'agissait de bruits qui n'avaient pu être corrigés ou confirmant l'origine cosmologique de ces "anomalies". Dans tous les cas on affinera les modèles d'inflation et il se pourrait qu'on doive ajouter des ingrédients supplémentaires à notre modèle actuel pour expliquer l'univers tel qu'on l'observe.

On connaîtra beaucoup plus précisément les fractions de la densité de l'univers sous forme de matière ordinaire et sous forme de matière noire (dont on voit les effets gravitationnels, mais qui ne brille pas). On gagnera également en précision sur la densité d'énergie noire mais il restera nécessaire de combiner les observations de Planck avec d'autres observations cosmologiques, telles la luminosité des supernovae distantes. »