L’univers plus vieux de 100 millions d’années

L’univers plus vieux de 100 millions d’années
Le satellite européen Planck a observé le cosmos tel qu’il était seulement 380.000 ans après sa naissance. Les données récoltées confirment le scénario du Big Bang tout en ajustant quelques valeurs : l’univers est vieux de 13,8 milliards d’années.



Le satellite européen Planck chargé d’observer le rayonnement fossile de l’univers, un témoin de l’état du cosmos voici plus de 13 milliards d’années.
Crédit : ESA/AOES Medialab

Lancé avec succès par une fusée Ariane 5 (en duo avec l’observatoire infrarouge Herschel) le 14 mai 2009, le satellite Planck de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) a été conçu pour scruter une lumière venue de l’enfance de l’univers.
Le 21 mars 2012, les premiers résultats scientifiques issus de l’analyse de cette lumière émise alors que le cosmos n’avait que 380.000 ans ont été rendus publics et exposés lors d’une conférence de presse de l’ESA. De fait, le modèle du Big Bang est confirmé dans ces grandes lignes même si quelques ajustements interviennent comme l’âge actuel de l’univers calculé à 13,8 milliards d’années, soit 100 millions d’années plus vieux. Toutefois, d’autres données pourraient bien impliquer une refonte plus profonde de la physique.
Plus de détails ci-dessous.

Rayonnement fossile
Le modèle standard couramment admis explique qu’après le Big Bang et un épisode appelé inflation (une expansion extraordinairement rapide de l’univers), la température a littéralement dégringolé passant de plusieurs milliards de degrés à «seulement» 2.700 °C. Nous sommes alors 380.000 ans après le Big Bang et la densité également en chute libre permet à la lumière de se propager.


Le rayonnement diffus cosmologique tel que mesuré par Planck. Les couleurs indiquent d’infimes variations de température (et donc aussi de densité) au sein de l’univers primordial alors âgé de seulement 380.000 ans. D’infimes variations dont émergeront les étoiles et galaxies.
Crédit : ESA/Planck Collaboration


C’est cette lumière issue de cette époque que Planck observe. Une lumière décalée dans le domaine des micro-ondes (les mêmes qui chauffent vos plats dans un four à… micro-ondes !) en raison de l’expansion de l’univers et qui constitue ce qu’on appelle le fond diffus cosmologique ou rayonnement fossile. Prédit théoriquement dès les années 1940 à partir des modèles du Big Bang, il est constaté en 1965 par les Américains Arno Penzias et Robert Wilson qui travaillent sur une nouvelle antenne radio. Très vite, les scientifiques se rendent compte que la meilleure façon d’étudier ce rayonnement venu de l’enfance de l’univers est de le faire avec un satellite sur orbite. Ce sera tout d’abord le cas avec les missions NASA COBE en 1992 et WMAP en 2003.

Planck : objectif précision
En 2009, l’Europe prend le relais avec Planck afin d’améliorer encore la finesse des données récoltées. Doté d’instruments d’une sensibilité inédite, cet observatoire a scanné plus de 1.000 fois le ciel pendant plus de 15 mois comme le montre l’animation vidéo ci-dessous.

Cette répétition des mesures est indispensable afin d’obtenir des chiffres fiables. Il faut se rendre compte que cette lumière émise dans un contexte de température à 2.700 °C nous arrive (après plus de 13 milliards d’années de voyage) en tant que rayonnement micro-ondes, ce qui équivaut à une température de 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu (-273,15 °C). Conséquence pratique : l’instrument HFI chargé des mesures dans les hautes fréquences a été refroidi à 0,1 K, soit 0,1 degré au-dessus du zéro absolu. Un exploit dans lequel l’agence spatiale française CNES a joué un rôle majeur (support technique et financier).


Successeur de COBE et de WMAP, Planck améliore une fois de plus la précision d’observation du fond diffus cosmologique.
Crédit : NASA/ESA


Les premiers résultats issus des données récoltées par Planck, rendus publiques le 22 mars, montrent le succès de cette mission de l’ Agence Spatiale Européenne (ESA) qui repose sur la sensibilité de l’instrument HFI et aussi sur celle du LFI (chargé des fréquences plus basses). Le but ? Détecter les infimes variations de température (de l’ordre du millionième de degré !) au sein de l’univers âgé de 380.000 ans. Ces différences, appelées savamment anisotropies, sont en quelque sorte les «grumeaux» de la soupe cosmique originelle qui vont donner plus tard naissance aux étoiles et galaxies. Ceci, car ces anisotropies ou grumeaux trahissent des différences de densité de matière. La vidéo du CNES ci-dessous résume les enjeux des découvertes de Planck.

Un passage obligé pour la cosmologie
La cartographie précise du rayonnement fossile par Planck montre dans quelle direction d’évolution se dirigeait le cosmos, évolution qui continue aujourd’hui. Les modèles théoriques du Big Bang doivent donc s’y conformer et les données du satellite européen donnent alors le «La»  pour des chiffres fondamentaux. Du coup l’univers n’est pas âgé de 13,7 milliards d’années, mais de 13,8 milliards d’années (13,82 exactement), soit 100 millions d’années de plus que pensé auparavant. L’expansion de l’univers, la vitesse avec laquelle il se dilate, est également revue : 67,15 kilomètres par seconde par mégaparsec (un mégaparsec représente 3 millions d’années-lumière). Les données de WMAP, le prédécesseur américain de Planck) indiquaient plutôt 70. La répartition du bilan matière/énergie du cosmos subit aussi des variations (voir schéma ci-dessous), sans toutefois bouleverser les grands équilibres. L’énergie noire et la matière noire (dont on ignore les natures exactes) dominent toujours largement !

Toutefois, Planck ne fait pas que confirmer dans leurs grandes lignes le Big Bang et la physique actuelle. Jan Tauber, responsable scientifique de l’ESA sur cette mission résume ainsi l’apport du satellite européen : «Nous voyons une concordance presque parfaite avec le modèle standard de la cosmologie, mais avec des particularités intrigantes qui nous obligent à repenser nos hypothèses de base». On notera ainsi une asymétrie dans la moyenne des températures entre les hémisphères opposés du ciel, ce qui contredit le modèle standard de la cosmologie. Également, un «point froid» du ciel reste inexpliqué.


Deux anomalies confirmées par Planck par rapport au modèle du Big Bang : une asymétrie dans la moyenne des températures (courbe blanche) et un «point froid» (cercle blanc).
Crédit : ESA/Planck Collaboration


Ces deux «anomalies» avaient été remarquées dans les mesures de WMAP, mais la précision manquait et elles pouvaient aussi être interprétées comme des erreurs. Plus précis, Planck confirme leur réalité au point que Paolo Natoli de l’université de Ferrara en Italie explique qu’il «faut chercher une explication crédible». En bref, nous commençons à peine à entrevoir le nouveau visage de l’univers tel que constaté par Planck.


La NASA et le département de l’énergie américain sont des partenaires de la mission Planck. Pour obtenir la carte du rayonnement fossile, il a fallu retirer des données brutes les «parasites» (galaxies, étoiles, etc.) induits par tout ce qui n’était pas issu de la lumière venue des premiers temps. Les longs et complexes calculs nécessaires ont été menés pendant plusieurs semaines grâce à ce super-ordinateur Cray XE6 (appelé Hopper) du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie qui fait travailler en parallèle 150.000 processeurs !
Crédit : LBNL

Ci-dessous, une vidéo ESA sur les résultats de Planck.

Publié le 22 mars 2013