ARCHEOPS : un ballon d`essai pour voir le Big Bang

ARCHEOPS : un ballon d’essai
pour voir le Big Bang
La première photo de l’Univers lorsqu’il était âgé de 380 000 ans révèle une mine d’informations pour l’étude
de la cosmologie. De nombreuses expériences en cours mettent en jeu des technologies de pointe
susceptibles de rendre la photo plus grande, plus nette et plus précise. Citons les ballons ARCHEOPS,
BOOMERANG, MAXIMA et le satellite de la NASA, WMAP. ARCHEOPS a permis de tester en 2002 certaines des
avancées technologiques qui sont à la clé de PLANCK, le futur satellite de troisième génération de l’ESA, lancé
en 2008. ARCHEOPS a obtenu également des observations millimétriques inédites du rayonnement fossile à 3 K.
de l’ordre de 10−5, d’une ligne de visée à une autre, sur
e rayonnement de corps noir (CMB pour Cosmic
des angles supérieurs à 10 degrés. Le paradigme de
Microwave Background) à 3 Kelvin (– 270 degrés
l’inflation, approfondissement du scénario du Big Bang
Celsius) a été détecté dans les ondes radio centi(voir encadré 1) prenait alors une assise observationnelle
métriques pour la première fois par Penzias et Wilson en
sans précédent. La mesure des anisotropies est devenue
1965 dans toutes les directions du ciel. C’est une des
en quinze ans l’objet d’un grand nombre d’expériences
preuves majeures de l’existence d’une phase chaude et
au sol et embarquées en ballon, qui ont culminé avec les
dense au tout début de l’Univers. Le scénario du Big
résultats du satellite WMAP (2002-2006).
Bang est construit d’une part, sur la Relativité Générale
d’Einstein et la cosmologie de Robertson, Walker,
Friedmann et Lemaître – des fondations théoriques soliProuesses technologiques
des – et étayé d’autre part par trois observations désormais classiques : l’expansion de l’Univers (décalage vers
dans une nacelle de 500 kg
le rouge de la lumière et loi de Hubble), la nucléosynthèse
primordiale (abondance des éléments légers : hélium,
ARCHEOPS est une expérience internationale, avec
lithium, béryllium, bore 1) et enfin ce rayonnement fosune participation française majoritaire, embarquée en
sile à 3 K. Ce scénario a reçu une éclatante confirmation
ballon qui a permis une cartographie précise du ciel dans
en 1992 avec le satellite COBE, entièrement consacré à la
le domaine de longueurs d’onde millimétriques. En
mesure du rayonnement à 3 K. Le rayonnement est effecdehors du plan galactique, le ciel y est dominé par les
tivement celui d’un corps noir avec une incertitude inféanisotropies du rayonnement fossile à 3 K (voir
rieure à un pour dix mille, sa température de
figure 1). Archeops a utilisé pour la première fois en bal2,725 Kelvin est connue avec une précision absolue de un
lon un grand nombre d’innovations technologiques qui
milliKelvin. Les photons que nous recevons maintenant
servent maintenant au satellite PLANCK, dit de troisième
sont les plus vieux qui existent, puisqu’ils
proviennent de la photosphère de l’Univers
alors âgé de seulement 380 000 ans. A l’instar des photons du soleil que nous recevons
sur terre et qui ont diffusé pour la dernière
fois sur la photosphère solaire, les photons
du CMB proviennent d’une surface dite de
dernière diffusion, avant de se propager
quasiment sans modification autre que le
redshift (décalage en fréquence par un facteur mille environ). Cette surface, contrairement au cas du soleil, est vue « de
l’intérieur ».
Pour la première fois COBE a également
décelé de légères variations relatives de
températures, qu’on appelle anisotropies, Figure 1 – Carte de la voûte céleste observée par le ballon ARCHEOPS. L’échelle de couleur non-
L
1. Voir l’article précédent de A. Coc sur la
nucléosynthèse primordiale.
30
linéaire montre à la fois l’émission des poussières concentrées dans le plan galactique (bande
brillante horizontale) mais fait aussi ressortir les fluctuations d’intensité du CMB hors du plan (typiquement avec un écart–type de l’ordre de 100 µK sur une échelle angulaire du degré). La partie
grisée n’a pas été observée.
Article proposé par : François-Xavier Désert, [email protected], Laboratoire d’astrophysique de Grenoble (LAOG),
Université Grenoble 1/CNRS
ARCHEOPS : un ballon d’essai pour voir le Big Bang
Encadré 1
Les deux inflations
Pourquoi l’Univers est-il si homogène à grande
échelle ? Pourquoi le rayonnement fossile a-t-il quasiment
la même température dans des directions si différentes
qu’elles n’ont jamais été en contact dans le passé ? Un argument qualitatif simple permet d’appréhender ce paradoxe.
Le passage de l’état plasma à l’état atomique de la matière
cosmique, appelé recombinaison, est dû à l’expansion et
donc au refroidissement de l’Univers. Il rend la propagation
des photons libre de toute interaction. Il a lieu 380 000 ans
après le Big Bang lorsque l’Univers était mille fois plus petit
que maintenant. Le rayonnement CMB que nous recevons
maintenant a voyagé pendant environ 13,8 milliards
d’années. Les régions causalement reliées ont une taille qui
est au plus de 3,8 × 105 × 1 000 × c soit 380 millions
d’années-lumière (le facteur 1 000 prenant en compte
l’expansion de l’Univers, c étant la vitesse de la lumière).
Rapporté à la distance parcourue, l’angle sous-tendu vaut
3,8 × 108/13,8 × 109 radians soit environ un degré. Ainsi,
au-delà de quelques degrés, le Big Bang standard ne peut
justifier l’isotropie presque parfaite du CMB.
L’inflation est un complément au scénario standard
du Big Bang, qui affirme qu’en réalité toutes les parties de
l’Univers que nos télescopes peuvent observer proviennent d’une région d’espace plus petite qu’un milliardième
de proton. L’inflation a amené cette infime région à la
taille respectable de quelques mètres, par une croissance
exponentielle en fonction du temps. Les différentes parties
sont apparues ensuite comme causalement disjointes
lorsqu’une expansion en loi de puissance a pris le relais. La
question philosophique de l’unité de l’Univers trouve une
réponse étonnante grâce aux observations du CMB : ses
parties, même très distantes, ont une naissance commune.
génération (après COBE et WMAP), préparé par l’ESA.
L’étude du Big Bang grâce aux anisotropies du CMB, et
bientôt sa polarisation, n’est possible que grâce à un faisceau convergent de savoirs dans des domaines aussi
variés que la physique des détecteurs à basse température
(0,1 K, voir encadré 2), la cryogénie embarquée, l’astrophysique, la cosmologie mais aussi la physique de
l’atmosphère (l’ozone est l’émetteur résiduel majeur à
ces altitudes) ou encore les télécommunications par
satellite ou la technique de récupération d’une nacelle
en Sibérie. L’ensemble de ces techniques doit être opérationnel au moment du lancement.
Refroidir en continu des détecteurs à une température optimale de 0,1 K en ballon est un tour de force en
soi. Ce problème a récemment trouvé une solution élégante grâce à l’emploi d’un cryostat à dilution à circuit
ouvert. Contrairement au système à désaimantation
adiabatique ou au pot de Torre-Chanin qui demandent
des cyclages, la dilution du gaz d’3He dans un gaz d’4He
refroidit en continu la plaque des détecteurs (3 kg). A
raison de quelques micromoles par seconde d’3He
diluées en proportion de 8 % dans l’4He, une puissance
de refroidissement d’environ une centaine de nanoWatt
En outre, l’inflation est une théorie falsifiable. Par
exemple, on déduit grâce à la mesure de la taille angulaire typique des anisotropies du CMB, que l’Univers a
une géométrie euclidienne. Cela veut dire que l’Univers
est sans courbure spatiale, ou encore que la somme des
angles d’un triangle à taille cosmique est bien de
180 degrés, ceci à mieux que 10 % près (bientôt testé à
1 % avec PLANCK). Et l’inflation prédit en effet que
l’Univers doit être « plat » à une grande précision. Enfin,
l’Univers n’est pas tout à fait homogène, sinon aucune
structure n’aurait pu naître et… nous ne serions pas là
pour en parler ! Les fluctuations quantiques du champ
scalaire ayant donné lieu à l’inflation fournissent des
conditions initiales suffisantes pour que, par effondrement gravitationnel, l’Univers se structure entre les
galaxies individuelles, les grands filaments et les amas de
galaxies.
L’inflation primordiale, théorie assez « bizarre » au
départ, a dorénavant acquis un statut de paradigme dont
les prédictions ont été amplement confirmées par les
observations du rayonnement à 3 K. Toutefois elle reste
« phénoménologique » car la physique des particules n’a
pas encore pu identifier la nature du champ scalaire quantique à sa source.
Un nouveau rebondissement provoqué par de nombreuses observations, dont le CMB, a récemment eu lieu.
Une nouvelle phase d’inflation, active depuis quelques
milliards d’années seulement et pilotée par une énergie
noire tout aussi mystérieuse que celle de l’inflation primordiale, est peut-être maintenant en train de nous
emporter dans une dilution exponentielle fatale. L’Univers serait donc mortel.
est obtenue sur un doigt froid à un dixième de degré audessus du zéro absolu. Un cryostat classique à 4He
liquide permet un étage thermique de base, à 4 K pour
cette technique. La détente (Joule-Thomson) du
mélange gazeux de la dilution permet un étage intermédiaire à 1,6 K. Le mélange est ensuite soit stocké
(ARCHEOPS), soit rejeté dans l’espace (PLANCK). Cette
technique, développée au CRTBT (Centre de Recherche sur les Très Basses Températures, CNRS, Grenoble) a été testée grâce aux quelques vols d’ARCHEOPS,
en autonomie complète (2000-2002). Il a été observé
que les vibrations du cryostat, si elles dissipent trop de
puissance près du doigt froid, peuvent provoquer un
réchauffement catastrophique. Ce fut par exemple le cas
sur la base de lancement à Kiruna en Suède lorsqu’un
camion de déneigement est passé à proximité du hangar
de préparation, créant un vent de panique pendant
quelques temps !
L’expérience ARCHEOPS a été conçue pour mesurer
les anisotropies dans un domaine d’échelles angulaires
intermédiaires entre les 360 degrés, atteints uniquement
par les satellites COBE, WMAP et dans le futur PLANCK, et
le degré, mesuré par les expériences au sol et embarquées
31
ARCHEOPS : un ballon d’essai pour voir le Big Bang
Encadré 2
Les bolomètres, détecteurs ultimes
Deux techniques principales de détection sont utilisées
dans le domaine millimétrique : une technique radio
cohérente à base de transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor), utilisée par exemple par WMAP et
PLANCK-LFI (Low Frequency Instrument), et une technique bolométrique utilisée par ARCHEOPS, BOOMERANG, PLANCK-HFI (High Frequency Instrument), etc.
Moins exigeante en termes de cryogénie, la technique
radio a toutefois des limites en sensibilité et en couverture
spectrale (seules les fréquences inférieures à 100 GHz sont
accessibles actuellement).
Le bolomètre (du grec bolo « jet, rayon, rayonnement »,
qui mesure le rayonnement) convertit la puissance lumineuse en chaleur de façon incohérente. Il fut inventé en
1881 par l’américain Langley (mort il y a cent ans exactement) qui voulait mesurer le spectre solaire. L’absorbeur est
faiblement couplé à un bain thermique. Des variations de
puissance sont obtenues lorsque le ciel défile devant le
bolomètre grâce au mouvement du télescope devant la
voûte céleste. Ces variations de puissance induisent des
variations de température de l’absorbeur, qui sont converties grâce à un thermistor (résistance variable avec la température) en un signal électrique. La direction de pointage est
généralement donnée par un senseur stellaire coaligné avec
le télescope. L’étalonnage du bolomètre est obtenu grâce
au signal connu du dipôle cosmologique. Notre vitesse particulière cosmique v ∼ 300 km/s est la somme de la vitesse
orbitale autour du soleil, de la vitesse du soleil autour du
centre galactique, et de la vitesse de notre galaxie par rapport à la trame cosmique. Elle produit, par effet DopplerFizeau, une variation à grande échelle angulaire de la température du CMB. Un contraste chaud-froid sur 180°
–3
v
∆T
d’écart angulaire, de ------- = ± -- ∼ ± 10 par rapport à la
c
T
moyenne de T = 2,725K, représente ainsi un signal important qui sert d’étalonnage primaire.
A partir du signal temporel du bolomètre, on peut
donc reconstituer, par traitement des données, une carte
des fluctuations spatiales de brillance du ciel, un peu
comme le faisceau électronique balaye rapidement l’écran
d’un téléviseur cathodique.
Dans le bolomètre de la figure 1, la grille absorbe les photons de longueur d’onde plus grande que la maille de la
toile. En revanche, du fait de sa faible surface apparente, elle
est relativement peu sensible aux particules du rayonnement
cosmique qui pourraient, par dépôt de chaleur, perturber la
mesure. Le thermistor est le rectangle central qui est connecté par les fils horizontaux arrivant au substrat. Une électronique de lecture qui se situe en dehors du bolomètre sur
un autre étage thermique permet d’acquérir le signal.
sous ballon. Une expérience en ballon permet de couvrir une gamme de fréquences plus grande qu’au sol, et
de gagner notablement en sensibilité instantanée (réduction du temps d’intégration à rapport signal sur bruit
constant), car l’atmosphère résiduelle est nettement
moins néfaste qu’au sol. Afin de couvrir une grande sur32
Les bolomètres constituent les détecteurs ultimes en
sensibilité. Le bruit de phonons se mesure par l’expres2
sion 4kT G où, k est la constante de Boltzmann, T est
la température du bolomètre et G est la conductivité thermique. La puissance absorbée P, de l’ordre de T.G pour
un bolomètre adapté, vaut quelques picoWatt (10−12W)
pour les expériences ballon ou satellite. Ainsi, des puissances de bruit (écart-type du signal intégré sur une demi– 17
seconde de temps) inférieures à 10 W ⁄ Hz sont maintenant obtenues. Elles sont à comparer au bruit de pho– 17
2hνP ∼ 10 W ⁄ Hz pour des fréquences
tons
ν ∼ 150 GHz. Grâce à leur température de fonctionnement proche de 0,1K, la précision obtenue avec les bolomètres de PLANCK est donc limitée en partie par le bruit
de photons du CMB lui-même, ce qui en fait des détecteurs ultimes dans leur catégorie.
La contrepartie de l’extrême sensibilité d’un bolomètre est qu’il doit être protégé de tous les rayonnements
parasites provenant de directions éloignées de la ligne de
visée du télescope. Pour cela, il est couplé en vol par un
système complexe de cornets métalliques et d’un télescope afin de former l’image d’un point du ciel et un seul
(une tache de diffraction) sur le détecteur. En outre, la
bande de fréquences requises doit être sélectionnée par un
ensemble de filtres situés en amont du détecteur. Sur le
ciel chaque bolomètre est sensible à une variation relative
de température du CMB de seulement 100µK en une
seconde d’intégration d’ARCHEOPS, et encore deux fois
moins pour PLANCK.
Figure 1 – Photographie d’un bolomètre en toile d’araignée de diamètre 5 mm (avec l’aimable autorisation de J. Bock, JPL/Caltech).
face de ciel, des mesures de nuit s’imposent. Pour éviter
les effets indésirables du soleil, un vol pendant la nuit
polaire en Suède, depuis Kiruna, s’est vite révélé la
meilleure solution logistique. La nacelle est mise en
rotation autour d’elle-même, à raison de 2 tours par
minute, par un petit moteur placé sur la chaîne de vol.
ARCHEOPS : un ballon d’essai pour voir le Big Bang
Figure 2 – Préparation et lancement d’ARCHEOPS. En bas à gauche : derniers ajustements sur le photomètre par deux physiciennes ; en bas, à droite : la nacelle
de dos dans le hangar, montrant le photomètre en place, au-dessus de la boîte de télécommunications rose et blanche. On aperçoit les 6 pieds d’atterrissage de
haute technologie, en carton-pâte ! Le tube extérieur sur la droite est un télescope optique permettant de connaître la position instantanée visée dans le ciel par
repérage d’étoiles ; en haut, à gauche : la nacelle au moment du décollage ; en haut, à droite : le ballon, qui vient d’être libéré, va entraîner la nacelle soutenue,
juste pour le décollage, par deux petits ballons auxiliaires.
Le faisceau du télescope balaye alors le ciel à environ
45 degrés du zénith, pour constituer un petit cercle
d’observation. Le déplacement du ballon et la rotation
diurne terrestre font que ce cercle balayé par le faisceau
se décale lentement sur la voûte céleste. La figure 1
montre qu’en 12 heures de nuit, une large fraction du
ciel, de l’ordre de 30 %, a pu ainsi être observée par la
vingtaine de bolomètres disponibles. Plusieurs vols
(1999-2002) ont dû être organisés pour atteindre
l’objectif central. Seul le dernier, en février 2002, a permis des mesures satisfaisantes, avec 12 heures d’intégration effective. Les autres vols (quatre) ont permis une
série d’améliorations significatives de l’ensemble de la
chaîne de vol, sans compter les aléas des ballons littéralement ballottés par les courants stratosphériques. Le
contact avec la nacelle en vol se fait par modem et télé-
phone satellitaire. Les données sont enregistrées à bord.
En fin de vol, la nacelle est séparée du ballon et atterrit
en Sibérie (entre l’Oural et la ville minière de Norilsk).
Localisée par GPS, elle est récupérée par une équipe
russe héliportée, opérant par – 40 degrés Celsius en
cette période hivernale. En 1998, une mémoire flash de
2 GigaOctets a dû être conçue en laboratoire pour
stocker les données à bord. De nos jours, une clé USB
de même capacité peut s’acheter facilement dans le
commerce ! Le précieux contenu est ensuite analysé par
les laboratoires participants. Il s’est avéré que la formation des équipes à traiter des données de type PLANCK a
été grandement facilitée par ce ballon d’essai. De nombreux algorithmes de dépouillement ont pu être testés,
améliorés ou abandonnés à l’épreuve de vraies données
et non plus seulement de simulations. L’ozone est le gaz
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principal émetteur d’une forêt de raies de rotation très
faibles aux fréquences mesurées (de 143 à 545 GHz).
L’émission parasite, et malheureusement hétérogène, a
fortement compliqué l’analyse du CMB à grande
échelle.
Les premiers résultats scientifiques d’ARCHEOPS ont
été confirmés quelques mois après, avec une meilleure
précision, par WMAP. Ce satellite à détection de type
radiométrique compense la faible sensibilité par le long
temps d’intégration de plusieurs années et est immune
aux effets parasites du voisinage terrestre. Toutefois les
cartes d’ARCHEOPS restent uniques dans le domaine
millimétrique. Par ailleurs, ARCHEOPS a pour la première fois détecté la polarisation de l’émission diffuse
des poussières interstellaires, orientées par le champ
magnétique de notre galaxie, la Voie Lactée.
Bientôt PLANCK
Le satellite PLANCK de l’ESA doit mesurer le CMB
avec une sensibilité améliorée d’un facteur trente par
rapport aux expériences ballon précédentes, et un facteur dix par rapport à WMAP, avec une résolution angulaire et une couverture spectrale bien meilleures. Au
prix modique d’un euro par européen, PLANCK permettra de mesurer les anisotropies du CMB, avec une
précision telle que presque toute l’information permettant de contraindre les paramètres cosmologiques
(constante de Hubble, densité des composantes de l’univers, etc.), en sera extraite. Il doit être lancé par une
fusée Ariane 5 en 2008 en même temps qu’HERSCHEL,
34
un satellite d’observations astrophysiques submillimétriques. La partie haute fréquence de l’instrument
PLANCK, qui comporte une cinquantaine de bolomètres, est sous responsabilité française. L’expérience
acquise, entre autres, sur ARCHEOPS se révèle capitale
pour en concevoir l’étalonnage au sol, en vol ainsi que
l’analyse des données. Les grands observatoires spatiaux
ne peuvent exister sans un accompagnement substantiel
par des expériences au sol ou sub-orbitales. Enfin,
l’après-PLANCK est déjà à l’étude avec des projets de
mesure de la polarisation des anisotropies du CMB
(entamée par PLANCK) grâce à des matrices de plusieurs
milliers de pixels.
Pour en savoir plus
A. Benoit, P. Ade, A. Amblard, et al., « Astronomy & Astrophysics, Cosmological constraints from Archeops », 399,
25L, 2003.
F.-X., Désert, « coordinateur, Comptes Rendus Physique,
Académie des Sciences, Dossier Le rayonnement fossile à
3K/ The Cosmic Microwave Background », 4, 819, 2003.
www.archeops.org
Nous remercions la collaboration ARCHEOPS conduite par Alain
Benoit (CNRS-CRTBT, Grenoble) pour la ténacité et la résilience
qu’elle a montrées tout au long du fleuve peu tranquille des courants stratosphériques et humains. Les contributions des agences
et Universités suivantes sont vivement remerciées : CNRS, CNES,
CEA, Agence spatiale italienne, CNR italien, Agence spatiale suédoise, Univ. Cardiff, JPL/Caltech, Univ. Minnesota, les instituts Landau et de recherche spatiale russe de Moscou.