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PLANCK, mission

Confirmation de l'expansion cosmologique

La mission européenne Planck, observatoire européen placé dans l’espace, fut conçue en 1995 afin de mesurer avec une précision inégalée les minuscules fluctuations (anisotropies) que présentait, selon la direction d’observation, l’intensité du rayonnement thermique du fond diffus cosmologique (cosmologicalmicrowave background ou CMB), découvert en 1965. En effet, ces anisotropies contiennent une information considérable sur l’Univers primordial et son évolution en galaxies. Leur mesure fournit un test très fin de la description théorique que la physique peut proposer pour ces époques lointaines. L’observatoire Planck fut lancé le 14 mai 2009, placé au point de Lagrange L2, et il observa l’ensemble des directions de la sphère céleste, avec une résolution angulaire de quelques minutes d’angle et sans discontinuer, du 12 août 2009 au 23 octobre 2013. Après cette date, l’épuisement de l’hélium liquide ne permettait plus de refroidir les 74 détecteurs embarqués, couvrant au sein de deux instruments distincts (LFI et HFI) un large intervalle de radiofréquences, entre 25 (1,2 cm de longueur d’onde) et 1 000 gigahertz (submillimétrique). La collaboration Planck est une équipe de près de cinq cents chercheurs, principalement mais non exclusivement européens qui, après avoir conçu et réalisé les instruments dans les laboratoires et l’industrie, ont suivi avec l’Agence spatiale européenne le déroulement de la mission, en opérant les instruments, analysant les données, rendant publics les résultats et les présentant sous forme d’articles, de cartes et d’archives des mesures, ouvertes à tous. La moisson est telle qu’après une première diffusion en 2014, une seconde série de trente-huit publications est sortie en 2015, d’autres étant encore en attente : soit 154 articles publiés ou soumis. L’ensemble mobilisera la communauté des cosmologistes et nombre de physiciens pour une décennie ou davantage.

Rayonnement et polarisation

Initialement conçus en 1995 pour la seule mesure de l’intensité du rayonnement thermique, les deux instruments évoluèrent dès 2005 afin de mesurer la polarisation des signaux reçus, objectif aujourd’hui atteint au-delà de tous les espoirs. Pourquoi le rayonnement CMB est-il faiblement polarisé ? Le champ électrique d’un rayonnement thermique n’a pas de direction privilégiée (polarisation), sauf lorsque la matière qui l’émet n’a pas les mêmes propriétés dans toutes les directions de l’espace. C’est le cas lorsqu’ un photon diffuse sur un électron (diffusion Thomson), sa polarisation étant alors perpendiculaire au plan de diffusion. La présence d’anisotropies de densité dans le plasma de protons et d’électrons, au moment de leur recombinaison en hydrogène (300 000 ans après la singularité initiale) et donc de l’émission du CMB thermique – aujourd’hui observé à T = 2,726 kelvins – conduit donc à des anisotropies de polarisation, observées pour la première fois par l’expérience DASI au pôle Sud en 2002 puis cartographiées sur tout le ciel par l’observatoire spatial Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA en 2011.

Leur analyse fine, publiée en 2015, est l’un des résultats majeurs de Planck. Cette faible polarisation résulte de plusieurs effets qui s’ajoutent et dont les proportions diffèrent selon la longueur d’onde. Alors qu’à 4,3 millimètres, la contribution cosmologique (arrière-plan) est comparable à celles produites par des sources plus proches (poussières ou particules chargées en avant-plan), elle se réduit à une faible fraction dans les autres bandes spectrales. Comme pour la mesure du signal de corps noir, formant le CMB et d’intensité très légèrement inégale (quelques dix millièmes) selon les directions de l’espace, un traitement très fin des images est nécessaire pour éliminer les signaux d’avant-plan[...]

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Écrit par

  • : professeur émérite de l'université Paris-VII-Denis-Diderot, membre de l'Académie des sciences
  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
  • : chargée de recherche au CNRS

Classification

Médias

Satellite Planck - crédits : ESA

Satellite Planck

Évolution de l'Univers - crédits : WMAP Science Team/ NASA

Évolution de l'Univers

Carte du ciel micro-onde réalisée d'après les observations du satellite Planck - crédits : HFI and LFI consortia/ ESA

Carte du ciel micro-onde réalisée d'après les observations du satellite Planck

Autres références

  • HUBBLE-LEMAÎTRE CONSTANTE DE

    • Écrit par
    • 2 491 mots
    En 2020, la collaboration de chercheurs associée au télescope spatial européen Planck, qui a étudié dans le détail ces inhomogénéités du fond diffus cosmologique, a publié ses résultats finaux, décrivant précisément les propriétés de l’Univers primordial alors âgé seulement de quelque 380 000 ans après...