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Paris, 5 février 2015

Planck dévoile le côté dynamique de l'Univers

La collaboration Planck, qui implique notamment le CNRS, le CEA, le CNES et plusieurs universités et établissements français, révèle à partir d'aujourd'hui des données issues des quatre années d'observation du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne (ESA). La mission Planck est dédiée à l'étude du rayonnement fossile, l'écho lumineux du Big-Bang. Les mesures, faites dans neuf bandes de fréquence, permettent de construire des cartes de la température du ciel mais aussi de sa polarisation1, qui nous donne des informations supplémentaires à la fois sur l'Univers très jeune (âgé de 380 000 ans) et sur le champ magnétique de notre Galaxie. Ces données et les articles associés sont soumis à la revue Astronomy & Astrophysics et sont disponibles sur le site web de l'ESA2. Des informations qui permettront notamment de mieux déterminer le contenu en matière et en énergie de l'Univers, l'époque de la naissance des premières étoiles ainsi que le taux actuel d'expansion de l'espace.

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© ESA - collaboration Planck/E. Hivon/CNRS



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
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.
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.

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 exemple3). 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 réionisation4. 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.

Le regard de Planck sur le magnétisme de notre galaxie

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© ESA/collaboration Planck/M.-A. Miville-Deschênes/CNRS

Images de la polarisation de l'émission synchrotron (gauche) et de la poussière interstellaire (droite). 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.



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 synchrotron5 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.

Les principaux laboratoires français impliqués dans la mission Planck
Les laboratoires français suivants ont été impliqués dans la construction puis dans l'analyse des données de l'instrument HFI (des mesures brutes aux cartes par fréquence), ainsi que dans l'interprétation astrophysique et cosmologique de l'ensemble des données de la mission Planck. Ces résultats sont notamment issus des mesures faites avec cet instrument, assemblé sous la direction de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) et exploité sous la direction de l'Institut d'astrophysique de Paris (CNRS/UPMC) par différents laboratoires impliquant le CEA, le CNRS et des universités et établissements :
- APC, AstroParticule et cosmologie (Université Paris Diderot/CNRS/CEA/Observatoire de Paris), à Paris.
- IAP, Institut d'astrophysique de Paris (CNRS/UPMC), à Paris.
- IAS, Institut d'astrophysique spatiale (Université Paris-Sud/CNRS), à Orsay.
- Institut Néel (CNRS), à Grenoble.
- IPAG, Institut de planétologie et d'astrophysique de l'Observatoire des sciences de l'Univers de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier), à Grenoble.
- IRAP, Institut de recherche en astrophysique et planétologie de l'Observatoire Midi-Pyrénées (Université Paul Sabatier/CNRS), à Toulouse.
- CEA-IRFU, Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers du CEA, à Saclay.
- LAL, Laboratoire de l'accélérateur linéaire (CNRS/Université Paris-Sud), à Orsay.
- LERMA, Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique (Observatoire de Paris/CNRS/ENS/Université Cergy-Pontoise/UPMC), à Paris.
- LPSC, Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Université Joseph-Fourier/CNRS/Grenoble-INP), à Grenoble.
- CC-IN2P3 du CNRS, Centre de calcul de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS.

En savoir plus
- Un article de CNRSleJournal qui retrace en vidéo les derniers résultats de la mission Planck.
- Le site web grand public de la mission Planck : www.planck.fr
- Le site web du CNES sur Planck : http://smsc.cnes.fr/PLANCK/Fr/
- Films « Mission Planck » : 2013, images de l'Univers en formation, Planck 2014, de nouveaux résultats et Planck 2014, voir l'invisible, réalisés par Véronique Kleiner, produits par CNRS Images.
Ces vidéos sont disponibles auprès de la vidéothèque du CNRS, videotheque-diffusion@cnrs.fr.
- Une foire aux questions sur les résultats et la mission Planck, à télécharger (PDF).


Notes :

1La 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.
2Les résultats sont disponibles à cette adresse : Consulter le site web
3Voir le communiqué de presse du 01/12/2014 «Planck : nouvelles révélations sur la matière noire et les neutrinos fossiles» Consulter le site web
4L'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.
5L'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.

Contacts :

Chercheurs CNRS
Jean-Loup Puget l T 01 69 85 86 65 l jean-loup.puget@ias.u-psud.fr
François Bouchet l T 01 44 32 80 95 l bouchet@iap.fr
François Boulanger | T 01 69 85 85 73 | francois.boulanger@ias.u-psud.fr
Ludovic Montier | T 05 61 55 65 51 | ludovic.montier@irap.omp.eu
Cécile Renault l T 04 76 28 40 13 l cecile.renault@lpsc.in2p3.fr

Presse CNRS l Loïc Bommersbach | T 01 44 96 51 51 | presse@cnrs.fr


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