PLANCK, mission

Pour comprendre la mission Planck de l'Agence spatiale européenne (ESA), dont le satellite a été placé sur orbite par un lanceur Ariane-5, le 14 mai 2009, en même temps que le télescope spatial Herschel d'astronomieinfrarouge et submillimétrique, également de l'ESA, il faut dresser une brève histoire de l'Univers. Les germes des grandes structures étaient présents dans l'Univers primordial et ont évolué sous l'effet de la gravité pour former les galaxies et les amas de galaxies observés aujourd'hui. Il existe cependant une étape marquante dans cette histoire : 380 000 ans environ après le big bang, l'Univers est devenu transparent. La vitesse de la lumière étant finie, regarder loin dans l'espace, c'est donc aussi regarder loin dans le temps. L'Univers est par conséquent observable directement jusqu'à cette frontière dans l'espace qu'est la surface de dernière diffusion, jusqu'à cette limite dans le temps qu'est le moment de l'émission d'un rayonnement dit fossile.

Ce rayonnement fossile est la première lumière de l'Univers. Auparavant, l'Univers était un plasma opaque et chaud dans lequel protons, électrons et photons étaient en interaction permanente. Lorsque l'Univers atteignit une température de 3 000 ⁰C environ, les photons n'ont plus eu l'énergie suffisante pour casser les atomes d'hydrogène qui se formaient continûment. En conséquence, la matière et la lumière se découplèrent. Ces photons constituent depuis lors, en tout temps et en tout lieu, le « bain thermique » de l'Univers. Ce dernier continuant de se dilater, la température de ce rayonnement fossile cosmologique est aujourd'hui de moins de 3 kelvins (— 270 ⁰C). Ces photons forment une image dont les détails révèlent l'état de la matière moins de 400 000 ans après le big bang. Leur « couleur » nous fournit des renseignements sur la température de la matière, alors que la polarisation de cette lumière nous divulgue les mouvements de cette matière.

Le rayonnement fossile : un outil majeur de la cosmologie observationnelle

Caractériser le contenu et la géométrie de l'Univers, lever le voile sur le mystère de son origine et comprendre son évolution globale constituent l'objectif de la cosmologie. Afin d'appréhender l'Univers dans son ensemble, il est nécessaire de confronter théories de physique fondamentale, modèles de formation des grandes structures et observations ; ces dernières connaissent une explosion qualitative et quantitative depuis le début des années 2000.

Ainsi, on peut aujourd'hui détecter des milliers de supernovae ou étudier la distribution de millions de galaxies. Cependant, toutes ces observations ne concernent qu'une fraction du ciel, et se concentrent sur les quelques derniers milliards d'années. Le rayonnement fossile est, quant à lui, observé sur la totalité du ciel et fournit une image de notre Univers tel qu'il était il y a près de 14 milliards d'années. Ses propriétés spectrales – il suit parfaitement une loi de corps noir à 2,725 K – et ses propriétés spatiales – isotropie quasi parfaite (c'est-à-dire qu'il est identique dans toutes les directions) – en font l'un des piliers du paradigme du big bang. Il contient l'empreinte de tout ce qui s'est passé auparavant : de même que les détails de la surface du Soleil révèlent la composition et les propriétés physiques de l'astre jusque dans son cœur, le rayonnement fossile contient, dans ses plus infimes détails, la physique des premiers instants de l'Univers. Il contient en particulier les caractéristiques de l'épisode d'inflation qui aurait eu lieu 10^–20 seconde environ après le big bang.