mardi 18 mars 2014

Découverte des Premières Ondes Gravitationnelles de l'Univers et Confirmation de l'Inflation !

C'est une découverte majeure qui vient d'être annoncée ce lundi 17 mars au Harvard Smithonian Center for Astrophysics à Cambridge, MassachussetsIl s'agit de la mise en évidence observationnelle de l'Inflation, et cette prouesse a pu être effectuée grâce à la détection indirecte d'ondes gravitationnelles primordiales, ce qui constitue une autre découverte exceptionnelle.


L'inflation est une époque de l'Univers imaginée théoriquement aux environs de 1980 (indépendamment) par le russe Andrei Linde et l'américain Alan Guth. Cette très brève période dans l'histoire de l'Univers, dominée par la gravitation quantique a commencé 10-35 s après le "temps zéro". Au cours de l'inflation, l'Univers a subi une expansion brutale et inimaginablement énorme (d'un facteur au moins de 1026...).

Schéma de l'évolution de l'Univers  (Harvard Center for Astrophysics)
L'inflation permet d'expliquer les observations à grande échelle de l'Univers : pourquoi il apparaît si isotrope, comme si deux points extrêmement éloignés avaient pu être en contact causal dans des temps reculés, pourquoi la géométrie de l'espace-temps semble "plate", ce qui n'a rien d'évident a priori, et pourquoi la répartition des fluctuations du fond diffus cosmologiques sont telles qu'elles sont, avec une plus forte quantité aux petites échelles (présence d'un pic caractéristique dans le spectre de puissance).
Bien que ces éléments observationnels tendent tous à confirmer la réalité de l'inflation, il restait toujours la possibilité d'autres modèles d'évolution produisant les mêmes phénomènes sans avoir recours à l'inflation

Le détecteur BICEP2
(Harvard Smithonian Center for Astrophysics)
Mais l'une des prédictions des théoriciens de l'inflation est qu'elle doit produire un rayonnement d'ondes gravitationnelles à cause des fluctuations quantiques de l'Univers primordial. Les ondes gravitationnelles sont, comme leur nom l'indique, des ondes, mais des ondes un peu particulières, on peut se les figurer comme étant une sorte de vibration de l'espace-temps. Les ondes gravitationnelles furent proposées par Albert Einstein lui-même et sont la dernière prédiction de la relativité générale non encore confirmée expérimentalement. Le rayonnement d'ondes gravitationnelles dites primordiales, est une signature sans équivoque de l'existence d'une ère inflationnaire.

La détection des ondes gravitationnelles, notamment celles que doivent produire des couples de trous noirs ou d'étoiles à neutrons est un champ de recherche très actif, nous avons déjà parlé ici (on peut citer les grands détecteurs interférométriques VIRGO et LIGO notamment). Concernant les ondes gravitationnelles primordiales, celles qui sont produites au cours de l'ère inflationnaire, le moyen pour parvenir à les détecter est très différent puisqu'il est indirect. Il faut pour cela observer en très grand détail le rayonnement de fond micro-onde (le fond diffus cosmologique, ou CMB, cosmic microwave background).
Les ondes gravitationnelles primordiales de l'inflation vont se trouver former une sorte de fond de rayonnement gravitationnel (ou CGB, cosmic gravitational background) et se fond d'ondes gravitationnelles va influer sur le rayonnement du CMB en modifiant sa polarisation

La signature des ondes gravitationnelles primordiales sur le rayonnement du CMB a la particularité d'être unique. Elle produit une polarisation particulière qu'on appelle une polarisation de mode-B. Détecter sans équivoque la présence d'une polarisation de mode-B dans le rayonnement du fond diffus cosmologique induit de facto l'existence du fond d'ondes gravitationnelles primordiales, qui à son tour confirme l'existence d'une ère d'Inflation dans l'Univers primordial...

Installation de BICEP2 , à droite (Harvard CFA)
Les physiciens américains qui ont fait cette annonce cet après-midi exploitent un télescope dédié à l'observation du fond diffus micro-onde, qui est situé en Antarctique, à la base Amudsen-Scott. 
Leur système de détection appelé BICEP2/Keck Array (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarizationest composé de plusieurs dizaines de petits récepteurs refroidis à des températures cryogéniques (ce qu'on appelle des bolomètres).
Il permet de mesurer le rayonnement du CMB avec une très bonne précision, même si il ne cartographie pas tout le ciel comme le fait le satellite Planck
En revanche, BICEP permet d'obtenir la valeur de polarisation de mode-B avec une bien meilleure précision que ce que peut obtenir Planck (dont les physiciens sont également en train d'analyser le signal pour la mesure de la polarisation de mode B et doivent publier leurs résultats dans les semaines qui viennent...). 

Il existe tout de même une seconde source de polarisation du rayonnement du CMB en mode-B : le phénomène de lentille gravitationnelle qui est produit par les galaxies massives, nombreuses dans le champ de vue observé.
Mais les physiciens américains de la collaboration BICEP parviennent à nettoyer le signal de polarisation très efficacement, et obtiennent des résultats fantastiques en isolant la polarisation de mode-B primordiale.

Cette avancée exceptionnelle fournira pourquoi pas des idées au comité Nobel concerné, soit pour ces expérimentateurs de l'extrême des années 2010, soit pour les théoriciens de l'extrême des années 1980... Ou pourquoi pas les deux, un pour l'Inflation, un second pour les ondes gravitationnelles primordiales, soyons fous ! Le visage de l'Univers vient de changer.

1 commentaire :

nicolas charlin a dit…

Très bon article !! merci