On a des difficultés pour établir à quel moment dans l

On a des difficultés pour établir à quel moment dans l'histoire de l'univers observable les étoiles
ont commencé à s'allumer et surtout à réioniser la matière baryonique qui était devenue neutre
après la naissance des atomes, 380.000 ans après le Big Bang. En 2015, les membres de la
collaboration Planck avaient fourni une nouvelle estimation de la date à laquelle la moitié de cette
matière avait été ionisée en étudiant une première carte de la polarisation du rayonnement fossile.
Elle avait été dressée grâce aux données collectées par l'instrument Low-Frequency Instrument
(LFI). La date obtenue était de 550 millions d'années.
Une nouvelle publication disponible sur arXiv et utilisant les mesures de l'instrument HighFrequency Instrument (HFI) pour la polarisation du CMB fournit maintenant la date de 700 millions
d'années après le Big Bang.
En bonus, ces mesures indiquent que la réionisation aurait bien été causée essentiellement par
les premières étoiles et pas par le rayonnement des premiers trous noirs massifs accrétant de la
matière qui n'auraient eu qu'une influence négligeable.
---------Article initial paru le 06/02/2015
En avril 2013, l'ESA avait rendu publics les premiers résultats portant sur la cosmologie issus des
analyses des données collectées par les deux instruments de Planck, LFI (Low Frequency
Instrument) et HFI (High Frequency Instrument). Ceux-ci étaient chargés d'observer le rayonnement
fossile, en radio pour le premier et dans les domaines submillimétrique et infrarouge lointain pour
le second. La nouvelle image de l'univers observable qui en avait émergé provenait de deux
couvertures complètes de la voûte céleste.
Les membres de la collaboration Planck savaient qu'ils pouvaient obtenir une image encore plus
précise et complète de notre cosmos car, en réalité, cinq couvertures du ciel avec HFI et huit
avec LFI avaient été obtenues. On pouvait donc s'attendre à de nouvelles révélations concernant
par exemple la courbure et la topologie de notre univers et la nature de son contenu en matière et
en énergie noire.
Mais la principale préoccupation des cosmologistes, des astrophysiciens et des physiciens
théoriciens de hautes énergies était sans doute les résultats des analyses portant sur la
polarisation du rayonnement fossile. Comme l'explique la vidéo ci-dessous, la connaissance
précise de cette polarisation, qui peut être décomposée en deux parties désignées sous les
termes de modes E et de modes B, nous permet, en théorie, de déterminer à quel moment les
premières étoiles se sont allumées dans l'univers, c'est-à-dire le début de la période de la
réionisation, encore appelée celle de la Renaissance cosmique, qui a mis fin aux âges sombres
La réionisation et l'inflation selon Planck
Restait en suspens la question de l'estimation de la date de l'allumage des premières étoiles. On
attendait également des estimations plus précises des paramètres cosmologiques, constituant en
quelque sorte la carte d'identité de notre univers. D'autres interrogations demeuraient, comme
celles liées aux contraintes éventuelles à imposer aux modèles d'inflation, sans oublier les
informations sur les caractéristiques des galaxies et des amas de galaxies.
L'ESA vient finalement de mettre en ligne ce 5 janvier 2015 la majorité des résultats finaux
concernant les analyses des observations complètes de Planck. Le CNRS a publié un
communiqué portant sur les principaux résultats obtenus et le site Planck HFI a également mis en
ligne plusieurs pages sur le sujet.
Les spécialistes pensent maintenant que la réionisation de l'univers sous l'effet du rayonnement
des premiers astres a commencé environ 550 millions d'années après le Big Bang et pas 450
millions d'années comme l'indiquaient les précédentes estimations. L'information est précieuse
parce qu'elle indique qu'il suffit de faire intervenir l'allumage des premières étoiles, et qu'il n'est
pas nécessaire de l'accompagner de la présence d'autres sources de rayonnement exotiques,
pour provoquer cette réionisation.
En effet, des observations faites de l'univers lointain, par exemple avec le télescope Hubble ou le
VLT, conduisaient à penser que la formation des galaxies (sic) avaient débuté environ 300 à 400
millions d'années après le Big Bang, ce qui laissait trop peu de temps à la formation des
premières étoiles pour vraiment réioniser significativement l'univers.
Le satellite Planck vient de livrer sa toute dernière carte de l'univers. Elle montre le rayonnement
fossile, la plus ancienne lumière du cosmos, mais avec cette fois une nouvelle donnée : la
polarisation de ces rayonnements. © CNRS, Dailymotion
Le contenu, la géométrie et la topologie de l'univers
selon Planck
L'âge du cosmos observable a été précisé, sa valeur est maintenant estimée à 13,77 milliards
d'années avec une constante de Hubble qui vaut H0=67,8 +/-0,9 km s-1 Mpc-1.
Il est composé à 4,9 % de matière baryonique dont une partie importante ne se trouve pas sous
forme d'étoiles.
Selon les estimations, son contenu en matière noire constitue 25,9 % de la masse de l'univers
observable. On ne sait toujours pas de quoi est constituée cette matière noire (à l'exception d'une
très faible fraction qui est sous forme de trois familles de neutrinos dont la somme des trois
masses individuelles est inférieure à 23 eV). Des contraintes ont cependant été établies sur les
propriétés de ces particules comme l'ont annoncé les membres de la collaboration Planck l'année
dernière.
L'énergie noire reste la composante dominante de l'univers observable aujourd'hui : elle constitue
à 69,2 % la masse contenu dans son volume (rappelons que le paramètre décrivant le contenu
en énergie noire d'un modèle de cosmologie relativiste standard se note ΩΛ et celui décrivant la
matière noire et baryonique Ωm. Leur somme est égal à 1 dans un univers exactement plat).
En combinant les données de Planck avec celle fournies par les observations des supernovae SN
Ia, il n'a pas été possible de mettre en évidence un comportement de cette énergie noire différent
de celui qu'on attendrait d'une vraie constante cosmologique fournie par exemple par l'énergie du
point zéro des champs quantiques. On ne peut donc pas y voir la trace d'une nouvelle physique,
comme celle des champs scalaires émergeant de la supergravité ou de la théorie des cordes.
Espérons que les observations que permettront Euclid et le LSST seront moins décevantes à cet
égard.
En combinant les mesures de Planck avec les observations des oscillations acoustiques des
baryons (BAO) on obtient maintenant une extraordinaire limite sur le paramètre décrivant la
courbure totale de l'univers observable (Ωk=1-Ωm-ΩΛ). Il ne diffère de la valeur nulle que de 0,005
au maximum. Cela signifie que nous pourrions être dans un univers ayant la forme d'un hypertore
et donc avec une géométrie spatiale plate. Les données de Planck n'ont toutefois pas permis de
mettre en évidence cette topologie particulière, pas plus que d'autres.
Une nouvelle physique qui se cache mais une
cosmologie affermie
En résumé, les observations de Planck sont parfaitement compatibles avec un univers décrit par
le modèle cosmologique standard et il n'existe aucun signe d'une nouvelle physique, comme par
exemple une quatrième famille de neutrinos, des défauts topologiques, à l'exception de la présence
de la matière noire et de l'énergie noire.
Il n'en reste pas moins que toutes les informations fournies par Planck ne se limitent pas qu'à
l'estimation des paramètres cosmologiques fondamentaux puisqu'elles concernent aussi
l'astrophysique de la Voie lactée et des amas de galaxies. Elles constituent donc un héritage
important et un affermissement conséquent de la base sur laquelle cosmologistes et
astrophysiciens vont continuer à explorer et comprendre l'évolution de la matière cosmique
depuis le Big Bang.
La quête des modes B de l'inflation va aussi se poursuivre avec d'autres instruments. Grâce à
ses données, la collaboration Planck va d'ailleurs bientôt mettre en ligne un article portant sur les
nouvelles contraintes des modèles d'inflation.
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