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La signature de l’inflation "presque" détectée

mardi 18 mars 2014, par Emmanuel HOURDEQUIN

Juste après le Big Bang, un épisode appelé inflation a subitement dilaté l’Univers de façon considérable. Le concept de période inflationnaire est relativement récent. Il fut d’abord imaginé au début des années 1980 par l’Américain Alan Guth, puis développé par d’autres astrophysiciens, en particulier le Russe Andrei Linde (Lire l’article sur ce site concernant le prix Nobel de physique 2011 pour l’accélération de l’expansion cosmique). Pour la première fois, un télescope placé au Pôle Sud a détecté la « trace » gravitationnelle laissée par cette expansion.

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

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.

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.

http://www.enjoyspace.com/fr/news/la-signature-de-l-inflation-detectee

http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/actu/d/univers-inflation-ondes-gravitationnelles-big-bang-enfin-decouvertes-52833/

http://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/20140317.OBS0115/1er-decouvertes-d-ondes-gravitationnelles-echo-du-big-bang.html

http://www.lemonde.fr/sciences/article/2014/03/17/des-physiciens-observent-les-premiers-instants-de-l-univers_4384658_1650684.html

http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actu-ondes-gravitationnelles-primordiales-la-preuve-decisive-de-l-inflation-cosmique-se-rapproche-32729.php

Remarque (ajoutée le 1er février 2015) :

Il semblerait que ce résultat ne serait qu’un artéfact dû aux poussières interstellaires :

Affaire à suivre...

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