La signature de l’inflation détectée

La signature de l’inflation détectée
Juste après le Big Bang, un épisode appelé inflation a subitement dilaté l’Univers de façon considérable. Pour la première fois, un télescope placé au Pôle Sud a détecté la «trace» gravitationnelle laissée par cette expansion.



L’observatoire BICEP2 qui a mesuré une polarisation du fond diffus cosmologique (une lumière qui vient des débuts de l’Univers, 380.000 ans après le Big Bang) qui confirme l’inflation. BICEP2 est ici au premier plan en bas. En arrière-plan, on remarque le South Pole Telescope, un instrument qui observe dans les domaines millimétriques et submillimétriques.
Crédit : Steffen Richter (Harvard University)


Ce télescope appelé BICEP2 (et d’une taille très modeste car de seulement une trentaine de centimètres d’ouverture) a mesuré une polarisation bien particulière de la lumière qui nous vient de 380.000 ans après le Big Bang. Cette polarisation provient, selon les cosmologistes, d’ondes gravitationnelles très précises, en l’occurrence des perturbations de l’espace-temps causées lors d’un épisode précis des débuts de l’Univers appelé inflation. Un moment très bref au cours duquel la taille du cosmos a été multipliée de façon considérable juste après le Big Bang. Cette découverte confirme donc le scénario le plus couramment admis chargé de décrire l’origine même de tout ce qui nous entoure. Vous voulez plus de détails ? Lisez ce qui suit.


La polarisation en mode B détectée par BICEP2 dans le fond diffus cosmologique sur une portion du ciel de 20°. Les petits segments montrent l’orientation de la polarisation et les couleurs indiquent le degré de torsion dans le sens des aiguilles d’une montre (rouge) ou inverse (bleu). L’aspect de cette polarisation correspond selon les chercheurs à l’empreinte laissée par des ondes gravitationnelles causées par la phase dite d’inflation lors du Big Bang.
Crédit : BICEP2 Collaboration


Des chiffres avec beaucoup de zéros !

Voici 13,8 milliards d’années, le Big Bang signait le début de l’Univers. Nous avons souvent en tête l’image d’une explosion titanesque qui en se répandant crée le Cosmos. Une image certes simpliste car le Big Bang initiant l’Univers, il ne peut exploser dans «quelque chose»… Néanmoins, pour éviter de plonger dans les arcanes les plus complexes de la cosmologie, gardons cette idée d’expansion. Très vite les théoriciens ont été confrontés à un problème : il devenait de plus en plus évident que cette phase d’expansion avait connu une accélération subite et très forte peu de temps après le Big Bang. Sans quoi l’édifice théorique ne tenait plus. Cet épisode a été appelé inflation et les chiffres donnent le vertige. L’inflation se serait produite quasi immédiatement après le Big bang à la fin de ce qu’on appelle l’ère de Planck. Comprenez 0,00000000000000000000000000000000001 seconde après (de façon plus pratique, on dit 10 puissance -35 ou 10^-35, soit 0 virgule suivi de 34 zéros et le 1). L’expansion est phénoménale : les calculs les plus conservateurs l’estiment à 10 puissance 26 (10^26), ce qui signifie que vous multipliez la taille de l’Univers par un 1 suivi de 26 zéros ! Et en plus, cette inflation se produit dans un laps de temps infime (encore pas mal de zéros après un zéro et sa virgule avant de pouvoir mettre un 1 et on compte bien sûr en seconde…).


Schéma de l’expansion de l’Univers, du Big Bang à nos jours. On constate la phase dite d’inflation cosmique (ou tout simplement inflation) dont BICEP2 a trouvé la trace sous forme d’ondes gravitationnelles inscrites dans le fond diffus cosmologique.
Crédit : NASA/WMAP Team/licence CC


Si l’inflation satisfait les modèles théoriques (du moins ceux du Big Bang les plus courants), en trouver la preuve dans l’Univers observable reste un défi. Pour y parvenir, les astronomes décortiquent ce qu’on appelle le fond diffus cosmologique (CMB en anglais pour Cosmic Microwave Background). Il s’agit de la lumière émise 380.000 ans après le Big Bang et qui nous parvient aujourd’hui décalée dans le domaine des micro-ondes en raison de l’expansion de l’Univers. Détecté depuis le sol pour la première fois en 1964, ce rayonnement a été mesuré avec de plus en plus de précision par 3 satellites successifs : COBE en 1992, WMAP en 2003 (2 missions NASA) puis l’européen Planck récemment. Ce rayonnement montre d’infimes variations de température dans ce qu’on appelle parfois la «soupe primordiale», et ces variations sont autant de « grumeaux » à partir desquels la matière va s’agglomérer pour former ensuite les grandes structures du cosmos (galaxies, amas de galaxies, étoiles, etc.).


Le fond diffus cosmologique : une carte de l’intégralité du ciel réalisée par le satellite européen Planck qui a récemment terminé sa mission. Les couleurs montrent d’infimes variations de température au sein de cette lumière émise 380.000 ans après le Big Bang. Ces minuscules irrégularités sont autant de «grumeaux» dans un Univers primordial censé être uniforme et à partir desquels se formeront les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui.
Crédit : ESA


Tout est dans la polarisation
L’étude du fond diffus cosmologique, notamment grâce aux 3 satellites précédemment cités, semblait déjà confirmer la théorie de l’inflation. Mais cette fois-ci, c’est un instrument bien spécifique installé au Pôle Sud à proximité de la base américaine Amundsen-Scott qui a marqué une nouvelle avancée. Appelé BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2), ses capteurs sont conçus pour mesurer la polarisation du fond diffus cosmologique. Il met à profit l’air sec de l’Antarctique pour capter ce rayonnement facilement absorbé par la vapeur d’eau de l’atmosphère.


Justus Brevik, un étudiant qui participe à BICEP2, effectue ici un test des électroniques du télescope chargé de mesurer la polarisation en mode B du fond diffus cosmologique.
Crédit : Steffen Richter (Harvard University)


Rappelons que la polarisation de la lumière est l’orientation de l’onde de la lumière. Par exemple, en allant à la Cité de l’espace de Toulouse regarder le film IMAX 3D Hidden Universe, vous utilisez ce principe ! En effet, pour obtenir le relief, il faut projeter sur l’écran géant une image droite et une image gauche destinée à chacun de vos yeux. Ces images droite et gauche sont polarisées différemment de telle sorte que vos lunettes 3D (équipées de filtres polarisants adéquats) ne laissent passer que les images de droite pour l’œil droit et celles de gauche pour l’œil gauche.
Revenons à la polarisation du fond diffus cosmologique. L’instrument BICEP2 mesure une polarisation appelée mode B. Il s’agit là d’une polarisation spéciale de la lumière émise 380.000 ans après le Big Bang (décalée dans les micro-ondes ne l’oublions pas). Polarisation qui d’après la théorie de l’inflation résulte d’ondes gravitationnelles elles-mêmes conséquences de la dilatation subite du Cosmos. Ces ondes gravitationnelles sont en quelque sorte des fluctuations dans l’espace-temps. Pour parvenir à ce résultat, les scientifiques de BICEP 2 ont analysé 3 ans de mesures cumulées par leur instrument (basé sur un modeste télescope de 30 cm d’ouverture) en permanence pointé sur la même portion de ciel de 20° de large. Ils ont également écarté d’autres explications et comparé leurs résultats à ceux de BICEP1 (l’ancêtre de BICEP2) et du Keck Array qui consiste en 5 télescopes semblables à BICEP2 et eux aussi postés au Pôle Sud près de la base Amundsen-Scott.

La base américaine Amundsen-Scott au Pôle Sud.Crédit : National Science Foundation

Des questions fondamentales
L’analyse montre donc la présence d’un signal de polarisation causé par des ondes gravitationnelles entraînées par l’inflation. John Kovac, à la tête de l’équipe BICEP2 de l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics rappelle que «détecter ce signal est l’un des plus importants buts de la cosmologie actuelle». Mais le plus extraordinaire est que le signal en question s’avère évident alors que l’on s’attendait à des mesures à la limite du perceptible. «C’est comme si en cherchant une aiguille dans une meule de foin on avait trouvé une barre à mine» souligne Clem Pyke de l’Université du Minnesota qui fait partie de l’équipe de John Kovac. Pour le cosmologiste Avi Loeb d’Harvard, les données de BICEP2 adressent des questions aussi fondamentales que «Pourquoi nous existons ? Comment l’Univers a-t-il commencé ?», et surtout «ces résultats ne sont pas seulement une preuve de l’inflation, ils nous disent aussi quand l’inflation s’est déroulée et à quel point ce processus a été puissant».
BICEP2 n’est toutefois en aucun cas une conclusion définitive à la cosmologie. Aussi convaincant soit le travail de John Kovac et ses collègues, il faudra le confirmer avec d’autres mesures et d’autres instruments. Les scientifiques attendent ainsi beaucoup des analyses en cours des mesures du satellite européen Planck qui a peut-être lui aussi saisi la fameuse polarisation en mode B d’une autre façon.
De plus, les ondes gravitationnelles mises en évidence par BICEP2 intéressent énormément ceux qui cherchent à concilier la relativité générale d’Einstein (qui avait prédit les ondes gravitationnelles) et la mécanique quantique. Pour ces derniers, les données de BICEP2 montrent que la gravitation agit par paquets, ouvrant la voie à une théorie quantique de la gravité qui constitue une sorte de «Graal» de la physique moderne car elle unifierait enfin deux approches (la relativité d’Einstein et la mécanique quantique) qui sont toutes deux vérifiées, mais qui semblent aussi s’opposer.

Publié le 18 mars 2014

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