Mise à jour 14 Février 2015
CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
«LES TOUT DERNIERS RÉSULTATS DE PLANCK»
Par François BOUCHET
Astrophysicien IAP
PI de l’instrument HFI (Planck)
À l’AgroParisTech 16 rue C Bernard Paris 5.
Le Mercredi 11 Février 2015 à 19H00 Amphi Tisserand
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos et des animations.
Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et s'appelle :
Bouchet-Planck2015-SAF.pdf, elle est dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2014-2015. .
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet
On la trouve à cette adresse https://www.youtube.com/playlist?list=PL1ZHG2CIuv2feUEkx1qyCs4OJOye9lbSR
Un beau succès pour un sujet pas toujours facile !
François Bouchet que nous connaissons bien à la SAF et que nous avons déjà invité plusieurs fois, est astrophysicien à l’IAP, il est responsable de l’instrument HFI de Planck et aussi en charge du traitement des données de la mission.
Les dernières mesures étaient sous embargo jusqu’au Jeudi 5 Février 2015 à 15H00 ; la date étant passée, nous allons avoir droit aux tout derniers résultats de cette mission qui a pour but d’étudier le commencement de l’Univers.
On a déjà rapporté ici dans ces colonnes des résultats intermédiaires de Planck (voir à la fin de ce compte rendu), mais ce soir on va essayer d’avoir une vue plus globale.
UN RAPPEL SUR PLANCK.
La mission Planck a été conçue au moment des premiers résultats de COBE, elle a aussi profité de la mission précédente WMAP.
Cette mission a été sélectionnée an 1996 après 3 ans d’études.
Tout le monde connaît la carte du CMB, qui représente la surface de dernière diffusion, quelques 380.000ans après le Big Bang.
Une autre surface de dernière diffusion est bien plus près de nous, c’est la surface du Soleil.
En effet le Soleil est un plasma, on ne voit que sa surface, les photons du Soleil n’interagissent plus avec le plasma, ils diffusent une dernière fois formant ainsi la surface.
En étudiant cette surface, on peut en déduire le fonctionnement interne de notre étoile, c’est la même chose avec le CMB, il nous renseigne sur ce qu’il y a derrière, c’est-à-dire sur ce qu’il y avait avant.
À cette époque (380.000 ans), le milieu devient enfin neutre, les photons deviennent libres car les électrons se combinent avec les protons pour créer enfin les atomes.
L’Univers devient transparent, c’est cette image des photons originaux que l’on trouve dans le CMB, mais avec le temps, leur énergie a diminué et ils sont maintenant visibles dans le domaine micro ondes.
Le rayonnement fossile est dans la gamme du rayonnement micro-onde, il correspond à une température de 2,7K, et on cherche à détecter des anisotropies de l'ordre de 100 micro K!!!!
Des grumeaux (ces minuscules différences de température) se sont formés avant cette période, ils sont nés des fluctuations quantiques du vide.
Planck devient le laboratoire ultime de la physique des hautes énergies.
Le satellite PLANCK d'une hauteur de 4,2 mètres et d'un diamètre maximum de 4,2 mètres, aura une masse au lancement d'environ 2 tonnes. Le satellite comprend un module charge utile et un module de service.
La charge utile PLANCK comprend :
un télescope grégorien de 1,75 x 1,5 m, équipé d'un miroir primaire et d'un miroir secondaire qui collectent les radiations micro-onde et les dirigent sur le plan focal des instruments, et d'un baffle de protection.
les plans focaux cryogéniques des deux instruments HFI et LFI,
les systèmes de refroidissement : 36.000 litres de He4 et 12.000 litres de He3
Le module de service héberge :
les systèmes pour la génération et le conditionnement de l'énergie,
le contrôle d'attitude,
la gestion des données et les communications,
les parties chaudes des instruments scientifiques (HFI et LFI).
Il tourne sur lui-même à raison d’un tour par minute et doit effectuer un relevé du ciel en 5 à 6 mois, on espère pouvoir cumuler 4 ou 5 relevés dans sa durée de vie., et on y a réussi grâce à une bonne gestion de l’Hélium, il a duré deux fois plus longtemps que prévu.
Le satellite comprend principalement deux instruments très importants :
· Le LFI (Low Frequency Instrument) Italien (Trieste) et
· Le HFI (High Frequency Instrument) Français (Paris).
Ces instruments devant être très performants dans l'espace et mesurer des fractions de degrés, la sensibilité nécessaire doit atteindre le chiffre incroyable de 0,5 micro Kelvin!!
L'électronique et les instruments doivent aussi être très stables thermiquement et très froids.
À cet effet il a fallu développer de nouvelles technologies permettant ces caractéristiques.
Notamment, un système de réfrigération des équipements sensibles ad hoc; un réfrigérateur à dilution d'Hélium permettant de refroidir jusqu'à 0,1K (100 milli Kelvin!!). Il a été conçu par Alain Benoit et son équipe de Grenoble.
Ce système permet d'atteindre une température de 0,1K; Planck est alors le point le plus froid de l'Univers.
Les détecteurs sont des bolomètres (une sorte de calorimètres), ils mesurent la chaleur reçue; ils sont situés au fond de longs cornets. Ces bolomètres sont de fabrication US (JPL).
Toutes photos techniques : ESA et collaboration Planck.
LES RÉSULTATS.
Des résultats très partiels furent donnés en Janvier 2011, puis une première série de résultats a été délivrée le 21 Mars 2013, nous en avons déjà parlé.
On avait ainsi pu séparer les composantes galactiques de l’arrière plan.
Et aujourd’hui nous avons les résultats qui englobent 4 études ½ du ciel, ce qui permet d’affiner les mesures précédentes et donc une redondance accrue pour ces mesures.
On a pu ainsi améliorer les cartes de températures des 9 canaux de mesures que l’on voit sur la planche ci-contre.
Plus de détail en cliquant sur l’image.
Que remarque-t-on sur ces 9 cartes élémentaires ? Les hautes fréquences sont dominées par la poussière de notre galaxie (en rouge), on pourra l’éliminer ultérieurement pour atteindre le fond du ciel.
Les canaux 100, 143 et 217 GHz sont les plus sensibles au CMB
En nettoyant l’arrière plan on a obtenu une nouvelle carte en 2015 légèrement différente de cette de 2013.
SMICA : acronyme de Spectral Matching ICA (Independent Components Analysis).
Il est intéressant de noter la différence entre les deux cartes que l’on voit sur la diapo ci-contre.
On a pu réduire le bruit avec les nouvelles données.
LA POLARISATION.
Les photons contiennent des informations bien connues de tous comme :
· La fréquence (ou la longueur d’onde) qui définit la couleur quand on
est dans le visible
· La direction.
Mais ils transportent une autre information : l’angle de polarisation.
En effet le photon se déplace le long d’une droite (sa direction), mais dans ce plan sa vibration possède une orientation, son angle de polarisation.
La lumière du soleil, ou d’une ampoule est essentiellement non polarisée, c’est-à-dire que tous les angles de polarisation sont présents. Lorsque cette lumière se réfléchit par exemple sur le sol ou sur la neige, certaines directions deviennent privilégiées.
La lumière devient polarisée. (exemple de lunettes de soleil ne laissant passer que la lumière polarisée).
En poussant un peu plus nos recherches on s’apercevrait que la polarisation nous renseignerait sur l’interaction de la lumière d’origine avec l’environnement.
Pour le CMB, c’est similaire, la polarisation de la lumière permet de voir la dernière interaction de celle-ci avec la matière.
Afin d’étudier la polarisation du rayonnement fossile, Planck est équipé de divers détecteurs :
· Deux détecteurs à 90°, et on mesure la différence, si nulle, la lumière n’est pas polarisée, mais cela ne suffit pas
· Deux autres détecteurs à 45° sont aussi présents.
Image de gauche : Images de la polarisation de l’émission synchrotron. 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. © ESA/collaboration Planck/M.-A. Miville-Deschênes/CNRS
Image de droite : Images de la polarisation de la poussière interstellaire émise par notre galaxie. 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.
©ESA/collaboration Planck/M.-A. Miville-Deschênes/CNRS
Image de la polarisation du CMB filtrée à 5° (grande image et image supérieure gauche) ainsi qu’un détail filtré à 20 arcminutes (image inférieure gauche).
Les petits tourbillons que l’on remarque, sont les lignes de polarisation.
Compléments sur la polarisation :
Le champ de polarisation peut être décomposé en deux modes :
· Le mode E (puissant) et
· Le mode B (tourbillonnaire) lié aux ondes gravitationnelles
Les mesures de polarisation de Planck sont en parfait accord avec les mesures de température.
Elles confirment aussi le modèle actuel d’Univers déterminé par 6 paramètres.
LE SPECTRE DE PUISSANCE.
Ces fluctuations dans le CMB sont un peu comme des vagues de différentes hauteurs sur la mer (de différentes largeurs sur la carte du CMB) que l’on va analyser en fonction de leur hauteur (de leur largeur pour le CMB) ; cela va nous donner le fameux spectre de puissance (angular power spectrum). Celui-ci mesure les fluctuations des températures par rapport à la taille des taches.
On y remarque 7 pics, dont le plus important à 1°.
Ce graphique représente de combien varie la température en chaque point du ciel c’est son empreinte digitale !
Le grand pic correspond à l'harmonique fondamental (comme pour un instrument de musique) qui indique la taille typique d'un "grumeau" du ciel approximativement 1°.
Les pics secondaires (les "harmoniques") donnent d'autres informations complémentaires.
La gauche du spectre est celle qui s'éloigne le plus de la courbe idéale, il y a des anomalies locales.
Le CMB montre aussi que l'Univers vibre comme la peau d'un tambour, on s'en aperçoit en traçant le spectre de puissance de ce bruit de fond.
L’étude détaillée de ce spectre permet aux physiciens de déterminer de nombreux paramètres cosmologiques.
Ce spectre est légèrement différent de celui élaboré en 2013.
On a réduit la dispersion des mesures entretemps et on a amélioré l’étalonnage.
Ce spectre est parfaitement confronté avec la théorie.
On compare les prédictions des modèles avec les données des observations pour déterminer le meilleur jeu de paramètres pour un modèle donné.
En fait toutes les mesures Planck confirment la même histoire de l’Univers, elles confirment le meilleur modèle ; celui qui comporte 6 paramètres ; c’est le LCDN (Lambda Cold Dark Matter) ou modèle de concordance.
Il comporte l’inflation, un espace plat, de la matière noire, de l’énergie noire….
On n’a pas besoin d’extensions exotiques.
Pour information voici certains paramètres principaux et certains dérivés de ces paramètres (d’après les résultats publiés en Février 2015) :
· La constante de Hubble : H0= (67.8 +/- 0.9) km/s/Mpc
· La densité de matière Omega_m = 0.308 +/- 0.012
· L’index spectral ns = 0.968 +/- 0.006 (voir plus loin)
· Profondeur optique de réionisation tau = 0.066 +/- 0.016
· Le nombre effectif de degrés de liberté lié au nombre de
neutrinos N_ eff = 3.15 +/- 0.23
· Contrainte sur la somme totale de la masse des neutrinos < 0.23 eV
· Courbure spatiale |Omega_K| < 0.005
· Rapport tenseur/scalaire r < 0.09
NDLR : il n’y aurait donc que 6 paramètres élémentaires qui se répartissent comme suit :
· 3 paramètres décrivant le contenu matériel de l’Univers : mat noire (Ωc h2), énergie noire (Ω
L), baryons (Ωb h2)
· 2 liés à l’inflation et à son influence sur les grandes structures (σ8 et ns)
· 1 décrivant la formation des premières étoiles (réionisation
t)
Toutes ces mesures peuvent paraitre surabondantes, mais elles permettent surtout d’éliminer des modèles cosmologiques et de valider certains autres
Comme par exemple des contraintes sur l'annihilation de matière noire en fonction de la masse des particules de matière noire.
Les modèles prédisant une forte annihilation (haut du graphique) associée à une masse moyenne ou faible (gauche du graphique) sont exclus, y compris les interprétations des mesures de AMS-02, Fermi et Pamela (rectangle en haut à droite).
Planck et la matière noire.
La lumière primordiale du CMB, pour nous parvenir, traverse l’espace où elle peut par endroit rencontrer des masses de matière (amas de galaxies par exemple) et subir un effet de lentilles gravitationnelles, si bien que ce que l’on (Planck) observe est altéré par cet effet. Les rayons lumineux sont
légèrement déviés et donnent ainsi une image déformée à l’arrivée (maintenant).
On peut voir aussi une animation gif d’une portion d’Univers sans effet lentille et avec.
En retranchant l’action de cette matière on peut accéder au CMB tel qu’il était à l’origine et aussi ainsi remonter et reconstruire la carte des masses de la matière noire qui produit l’effet détecté.
Voici donc la carte de la matière sombre (principalement) contenue dans l’Univers depuis les 380.000 ans jusqu’à maintenant et qui provoque l’effet de lentille gravitationnelle sur le CMB. Les régions avec plus de masse sont en couleur claire, celles avec moins de masse en foncée.
On ne peut pas caractériser le centre de l’image qui est notre propre galaxie.
Une autre conséquence des dernières mesures : les premières étoiles (après la période des âges sombres) seraient en revanche nées un peu plus tard que prévu : 550 millions d'années après le big bang (au lieu de 450 millions d'années).
Une autre conséquence est qu’il semble bien que le nombre possible de neutrinos ne dépasse pas trois, donc les théories sur les ou les neutrinos stériles devront vraiment être vérifiées.
Remarque sur le paramètre ns.
Le spectre de puissance est déterminé par deux nombres : l'un décrit l'amplitude typique des fluctuations de densité d'une taille physique donnée, l'autre décrit l'amplitude relative des fluctuations de densité entre deux échelles différentes, ce que l'on appelle indice spectral (spectral index) des perturbations (ns)
F Bouchet attire notre attention sur ce paramètre ns qui ne vaut pas 1, mais 0,96 +/- 0,0054
Ce facteur représente la taille des grumeaux à différentes échelles dans l’Univers primordial ; s’il était égal exactement à 1 (invariance d’échelle), les grumeaux auraient tous la même taille ; ce qui serait contraire à la théorie de l’inflation, il fallait en fait que ce facteur soit aux alentours de 0,96. Planck en apporte la preuve pour la première fois.
C’est un résultat fondamental qui confirme encore la prédiction de l’inflation.
Remarque sur le rapport tenseur-scalaire r.
Ce rapport r est lié aux amplitudes primordiales des fluctuations de densité de matière qui ont dû générer des ondes gravitationnelles.
Ce paramètre est directement lié à la puissance de la période inflationnaire.
L’expérience BICEP2 dont nous avons parlé ici il y a peu, a peut être mesuré que …. du bruit (poussière de notre galaxie).
Ils annonçaient une valeur de r = 0,2 ; Planck donne une limite maximale de r : 0,1 (à 95% de confiance), ce qui semble prouver que leurs mesures ne sont pas exactes au moins quant à leur conclusion sur l’existence d’ondes gravitationnelles.
Ces facteurs r comme ns sont importants aussi dans le sens qu’ils permettent de donner des contraintes sur différents modèles d’Univers, d’en valider certains et d’en exclure d’autres, comme on le voit sur les graphiques ci-contre.
CONCLUSIONS DES RÉSULTATS 2015.
Les points principaux :
· Le plus grand nombre de données a permis une meilleure précision des mesures
· Le modèle actuel LCDM est confirmé
· Pas d’autres neutrinos que les 3 connus
· La polarisation a été mesurée
· Le rapport r semble indiquer que l’on n’a pas encore mis en évidence les OG
· La théorie de l’inflation est confirmée
Pour terminer un cadeau : la nuit étoilée de Van Gogh se transformant en données de Planck.
Prochaine conférence mensuelle de la SAF : MERCREDI 11 MARS 2015 19H00 AgroParistech Amphi Tisserand
Nous avons le plaisir de recevoir :
Jean Jacques DUPAS Ingénieur-Chercheur au CEA de Bruyères-le-Châtel Président de l’association PlayMaths
La fabuleuse et mystérieuse machine d’Anticythère.
Est-ce un calculateur astronomique donnant la position des astres et à prédire les éclipses ?
Entrée libre mais réservation obligatoire.
POUR ALLER PLUS LOIN :
Le site de la mission HFI Planck à voir absolument, toutes les infos en français.
La liste de tous les articles parus en Février 2015 par la collaboration Planck (ils sont en téléchargement libre) et
La galerie de photos/illustrations publiées.
Dont ce qui concerne le plus la cosmologie :
Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters et le texte complet.
The Cosmological Parameters par l’University College London.
CMB and astrophysical component maps
Constraints on Neutrino Physics present. ppt de Planck par Alessandro Melchiorri University of Rome La Sapienza
Constraints on scalar spectral index from latest observational measurements
Planck exclut la Matière Noire de AMS-02 et les Neutrinos Stériles par le Dr Éric Simon.
Planck Upholds Standard Cosmology article de sky and telescope.
Planck 2013 results. XII. Component separation : explication de la séparation des différentes composantes dans le CMB
The Big Bang gravitational echo
Planck en bref en HD video très bon
Et sur votre site favori :
Toutes les nouvelles de Planck sur ce site.
L’Univers vu par Planck : CR de la conférence SAF de F Bouchet du 9 Octobre 2013
La nuit n’est pas noire et Planck : CR de la conf. SAF d’Hervé Dole du 14 Mars 2012
La mission Planck, état et perspectives : CR de la conf. IAP de F Bouchet du 1er Juin 2010
Planck et l’Univers : CR de la conférence VEGA d’Hervé Dole à Plaisir le 30 nov 2013
Planck :.La fin de l’embargo, enfin !
Bon ciel à tous
Jean Pierre Martin Président de la commission de cosmologie de la SAF
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