De 2009 à 2013, le satellite Planck de l’ESA a observé le rayonnement fossile, la plus ancienne image de l’Univers. L’héritage légué par ce projet inclut de très nombreuses données uniques et essentielles pour plusieurs domaines de l’astrophysique. Citons entre autres la carte de l’émission polarisée de la poussière interstellaire ainsi qu’un catalogue de 13188 nuages denses et froids de notre Galaxie et de 1653 amas de galaxies détectés par leur interaction avec le rayonnement fossile, mais aussi des informations sur la façon dont la matière s'est peu à peu concentrée lors des dix derniers milliards d'années et, enfin et surtout, la carte de ce rayonnement fossile sur tout le ciel. Cet outil permet aux chercheurs de visualiser la distribution de matière 380 000 ans après le Big Bang. Grâce à ces données, nos connaissances sur l’Univers jeune deviennent dynamiques et permettent d’explorer tous les rouages du modèle cosmologique.
Le rayonnement fossile
Image de la polarisation de l’émission synchrotron (gauche). Les couleurs indiquent l’intensité de l’émission. La texture de l’image reflète la polarisation de l’émission. Là où elle est régulière, elle montre l’orientation du champ magnétique. Ailleurs l’information représentée sur l’image est plus complexe à analyser. Les motifs irréguliers sont associés à des changements de la direction du champ magnétique.
La polarisation est une propriété de la lumière au
même titre que la couleur ou que la direction de propagation. Cette propriété
est invisible pour l’œil humain mais elle nous est familière (lunettes de
soleil aux verres polarisés, lunettes 3D au cinéma, par exemple). Un faisceau
lumineux qui se propage est en fait la résultante de minuscules vibrations d'un
champ électrique et d'un champ magnétique. Si le champ électrique oscille
préférentiellement dans une direction donnée, alors la lumière est polarisée.
Certains phénomènes physiques produisent naturellement de la lumière polarisée,
c'est le cas dans le rayonnement fossile. La mesure de la polarisation est
faite par les deux instruments à bord du satellite dans ses sept canaux de 30 à
353 GHz. L’information est actuellement disponible dans quatre de ces sept
canaux : dans les trois bandes de l’instrument basse fréquence et dans le canal
à 353 GHz de l’instrument haute fréquence.
Sur la carte ci-dessus, les couleurs indiquent les écarts de la température du rayonnement fossile par rapport à sa valeur moyenne. Les zones bleues, plus froides, et les zones rouges, plus chaudes, témoignent des variations dans la densité de la matière tôt dans l'histoire de l'Univers. La direction et l’intensité de la polarisation apparaissent en filigrane sur la carte de température. Elles forment une empreinte qui témoigne des mouvements de matière qui chute vers les régions les plus denses et fuit les régions moins denses. Ces structures s’observent à différentes échelles sur le ciel.
Image de la polarisation de la poussière interstellaire. Les couleurs indiquent l’intensité de l’émission. La texture de l’image reflète la polarisation de l’émission. Là où elle est régulière, elle montre l’orientation du champ magnétique. Ailleurs l’information représentée sur l’image est plus complexe à analyser. Les motifs irréguliers sont associés à des changements de la direction du champ magnétique.
Ces nouvelles données ont permis de déterminer de façon précise le contenu matériel de l'Univers :
- 4,9% de son énergie aujourd’hui est composé de matière ordinaire,
- 25,9% de matière noire, dont la nature reste inconnue,
- 69,2% d'une autre forme d'énergie, distincte de la matière noire et dont la nature précise est plus mystérieuse.
On sait également mieux déterminer l’époque de la naissance des premières étoiles, qui est désormais estimé aux alentours de 550 millions d’années après le Big Bang. Enfin, grâce à ces données d’une très grande précision, les chercheurs ont pu évaluer le taux actuel d'expansion de l'espace, ce qui conduit à estimer l’âge de l’Univers à 13,77 milliards d'années.
L’Univers primordial était ionisé - les électrons
et les protons n'étaient pas liés. L'émission du rayonnement fossile correspond
à la formation des atomes : l’Univers est devenu neutre. Mais on sait par des
études de quasars que l’Univers est aujourd'hui ionisé, et ce depuis plus de 12
ou 13 milliards d'années. Entre 380 000 ans et 1 milliard d'années l’Univers a
donc été réionisé.
Mais ce qui a considérablement augmenté avec les données relatives à la polarisation du rayonnement fossile, c’est la capacité des cosmologistes à tester un certain nombre d'hypothèses qu'ils font sur l'Univers, que ce soit en rapport avec les lois physiques qui le régissent ou les propriétés de ses constituants (neutrinos et matière noire par exemple ). Le nouveau catalogue d'amas de galaxies a en outre permis d'affiner les paramètres cosmologiques régissant la formation des structures dans l'Univers, comme la masse des neutrinos et l'époque de réionisation . Aujourd’hui, ces données fournissent aux chercheurs du monde entier une base particulièrement solide pour explorer les époques les plus anciennes proches du Big Bang. En particulier, le phénomène appelé inflation cosmique qui, vraisemblablement, a transformé l’Univers initialement peut-être très chaotique en un milieu relativement homogène mais parsemé de minuscules fluctuations de densité qui permettront plus tard aux galaxies de se former.
L’émission synchrotron est le rayonnement émis par
toute particule chargée en présence d’un champ magnétique. Son nom fait référence
aux accélérateurs de particules où il est particulièrement intense. L’intensité
du rayonnement dépend de l’énergie des électrons et de l’intensité du champ
magnétique.
Le regard de Planck sur le magnétisme de notre galaxie
L’espace interstellaire de notre Galaxie n’est pas vide. Il contient du gaz et de minuscules grains de poussière : la matière dont notre Galaxie dispose pour former de nouvelles étoiles et leurs planètes. La poussière interstellaire rayonne aux longueurs d’onde d’observation du satellite Planck. Comme la Terre ou le Soleil, l’espace interstellaire est parcouru par un champ magnétique. La force magnétique tend à aligner les grains, ce qui polarise leur rayonnement. Planck a mesuré pour la première fois cette polarisation sur l’ensemble du ciel.
La découverte du magnétisme de notre Galaxie est liée à celle des rayons cosmiques. Sans le champ magnétique, ces particules, accélérées par les supernovæ à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, quitteraient rapidement la Galaxie. La force magnétique les retient. Le champ magnétique est lui tenu par la matière interstellaire. La matière, le champ magnétique et les rayons cosmiques constituent un ensemble dynamique : ils agissent en interaction les uns avec les autres. L'importance du champ magnétique dans ce trio est avérée depuis longtemps, mais les observations dont nous disposons pour l’étudier sont encore trop fragmentaires. Les astrophysiciens cherchent depuis longtemps à comprendre comment la gravité se joue du champ magnétique pour initier la formation des étoiles.
La mission Planck révèle aujourd’hui deux cartes inédites de la polarisation du ciel : une de l’émission synchrotron des électrons du rayonnement cosmique et une de l’émission de la poussière interstellaire. Les données révèlent la structure du champ magnétique Galactique avec des détails sans précédent. La polarisation de l’émission synchrotron, comme celle de la poussière, indique la direction du champ magnétique. L’interprétation des observations est complexe car nous n’avons accès qu’à une projection d’une structure qui par essence est en trois dimensions. Les données doivent être confrontées à des modèles et des simulations numériques pour comprendre l’interaction entre matière et champ magnétique. Ce travail a déjà commencé au sein du consortium Planck mais il reste beaucoup à faire tant les données sont denses en information.