Des physiciens observent les premiers instants de l’Univers

Le Monde, sciences

Des physiciens américains sont parvenus à observer la trace des tout premiers instants du Big Bang, atteignant un des « objectifs les plus importants de la cosmologie aujourd’hui » selon les termes de John Kovac, professeur à Harvard et responsable de l’équipe à l’origine de cette découverte, annoncée lundi 17 mars.

La survenue du Big Bang, qui a marqué la naissance de l’Univers il y a 13,8 milliards d’années, s’est accompagnée de l’émission d’ondes gravitationnelles primordiales. C’est l’empreinte que ces ondes ont laissée sur le rayonnement fossile (lequel baigne le cosmos) que sont parvenus à détecter les scientifiques.

DES ONDULATIONS PRÉVUES PAR LA RELATIVITÉ

Ces ondulations de l’espace-temps, qui avaient été prévues par la théorie de la relativité d’Albert Einstein, sont la preuve de l’expansion extrêmement rapide de l’Univers dans les premières fractions de seconde de son existence, un phénomène appelé inflation cosmique.

Pour le physicien théoricien Avi Loeb, de l’université Harvard, cette avancée « apporte un nouvel éclairage sur certaines des questions les plus fondamentales. A savoir : pourquoi nous existons et comment a commencé l’Univers. Non seulement ces résultats sont la preuve irréfutable de l’inflation cosmique mais ils nous informent aussi du moment de cette expansion rapide de l’Univers et de la puissance de ce phénomène. »

L’observation de tels rayonnements a été réalisée par le télescope Bicep 2. Depuis l’Antarctique, il a scruté le fond diffus cosmologique, le rayonnement faible hérité du Big Bang. Les scientifiques sont parvenus à étudier de minuscules fluctuations dans ce rayonnement, comme autant d’indices sur la petite enfance de l’Univers.

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UNE DÉCOUVERTE DIGNE DU NOBEL

Ces données permettent également de confirmer « la relation profonde entre la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale ». Pour Tom LeCompte, un physicien au CERN et au Laboratoire national Argonne près de Chicago, qui n’a pas participé à ces travaux, cette percée « est la plus grande annonce en physique depuis des années », qui « peut potentiellement donner le prix Nobel » à leurs auteurs, a-t-il expliqué à l’AFP.

L’enfance de l’Univers dévoilée

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Si une image vaut mille mots, celle rendue publique jeudi 21 mars par une équipe européenne d’astrophysiciens en vaut encore dix fois plus. Sous l’égide de l’Agence spatiale européenne, ces chercheurs viennent en effet de prendre une photo qui nous ramène 13,8 milliards d’années en arrière. Elle montre l’Univers le plus jeune qui soit possible d’observer, tel qu’il était à ses tout débuts, 380 000 ans seulement après sa création – elle dévoile un rayonnement qui a voyagé jusqu’à nous depuis la nuit des temps.

La qualité de l’image de ce bébé-Univers prise par le satellite Planck est dix fois plus grande que le dernier cliché disponible pris par la NASA en 2003. De quoi non seulement mieux décrire l’histoire qui conduit de l’enfance à l’adulte qu’il est devenu aujourd’hui. Mais aussi de quoi plonger pour la première fois de l’autre côté du miroir et saisir à quoi a ressemblé le Big Bang, moment-clé de nos origines. Avec à la clé quelques surprises.

« LE NOM SUR LE BRACELET »

« Une collègue, pour illustrer la qualité de ce travail, a réalisé trois photos de son enfant. L’une, très floue, correspondant à la précision d’il y a vingt ans. L’autre, plus nette, où l’on reconnaît le bébé, avec la précision d’il y a dix ans. Et enfin, la dernière, avec la qualité d’aujourd’hui, sur laquelle on distingue le nom sur le bracelet ! », explique Alain Riazuelo de l’Institut d’astrophysique de Paris et du CNRS.

Il faut cependant avoir l’œil du spécialiste pour reconnaître un Univers en formation sur l’image prise par la collaboration de Planck, forte de plus de deux cents personnes. A cette époque, l’Univers ne ressemble à rien de ce qu’il est aujourd’hui. Nulle étoile, nulle galaxie, pas le moindre caillou. La matière est chaude, à environ 3 000 °C et elle n’est faite que de particules microscopiques, des électrons et des protons qui, des millions d’années plus tard, s’assembleront en atomes lourds et molécules…

MÉLASSE BOUILLONNANTE

Elle est même totalement opaque, car nul grain de lumière ou photon ne peut en sortir. Ceux-ci sautent d’électron en électron sans pouvoir s’extraire de la mélasse bouillonnante. Mais ces électrons jouent aussi avec les protons et finissent par se regrouper avec eux, privant les photons de leurs partenaires. La lumière jaillit. Les instruments du satellite Planck envoyé en 2009 à quelque 1,5 million de kilomètres de la Terre n’ont plus qu’à l’enregistrer.

C’est finalement comme s’approcher d’une boîte de nuit bien insonorisée et ouvrir la porte : soudain un bruit assourdit les tympans. Reste à déduire de ce vacarme combien il y a de personnes, combien d’hommes et de femmes, ou l’heure qu’il est…

 

 

 

 

 

 

Dans le cas de Planck, en guise d’ondes sonores, les chercheurs ont affaire à du rayonnement micro-onde (à des fréquences 15 à 500 fois plus élevées que celles des téléphones mobiles en 3G), qu’ils convertissent en température. En outre ce « bruit » ne varie pratiquement pas : quel que soit l’endroit vers lequel pointent les détecteurs, la même température est mesurée, équivalente à quelque –270 ºC. D’où son nom de fond diffus cosmique ou rayonnement fossile.

Mais tout est dans le « pratiquement ». En réalité, des murmures sont audibles, un million de fois plus faibles que le bruit dominant. « Planck est capable de repérer des cailloux d’un millimètre au sommet d’une montagne de 1 000 mètres de haut », compare Jean-Loup Puget, de l’Institut d’astrophysique spatiale d’Orsay et du CNRS, responsable d’un des instruments de Planck. D’où l’aspect granuleux du cliché, équivalent aux vagues à la surface d’un océan. Ces petites vagues deviendront grandes et donneront naissance aux étoiles, galaxies, amas de galaxies…

 

GIGANTESQUE CRÊPE

« Les quelque 5 millions de pixels de l’image sont finalement transformés en six paramètres qui décrivent l’Univers et son évolution », explique François Bouchet, du CNRS, l’un des responsables de la mission. Le verdict décrit finalement la recette de la soupe cosmique. L’Univers est composé de 4,8% de la matière ordinaire que sont nos atomes, de 25,8% de matière dite noire, invisible aux télescopes (et de nature encore inconnue) et de 69,4 % d’énergie noire, qui le pousse à grossir. Cet Univers est également plat comme une gigantesque crêpe, alors que les estimations précédentes laissaient entrevoir la possibilité d’une légère courbure. Les chercheurs estiment aussi la vitesse avec laquelle les galaxies s’éloignent les unes des autres à quelque 66 kilomètres par seconde.

A cette moisson déjà bien fournie, il faut ajouter quelques surprises. La première : les résultats sont légèrement différents de ceux obtenus par le satellite précédent de la NASA, WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). « Le taux d’expansion de l’Univers que nous trouvons est plus faible et nous avons quelques pourcents de plus de matière noire et ordinaire, mais nous trouvons finalement le même âge pour l’Univers – 13,8 milliards d’années », constate Jean-Loup Puget. Cela promet quelques discussions agitées.

Deuxième surprise, « le modèle standard simple qui décrit l’Univers et son évolution reproduit bien tout ce qu’on observe », ajoute François Bouchet. En particulier, ces analyses valident l’hypothèse qu’un phénomène incroyablement spectaculaire a bien eu lieu juste après le Big Bang et bien avant 380 000 ans : l’inflation.

Cette phase, aux détails encore flous, correspond à une fantastique dilatation de l’espace. Quelques milliardièmes de milliardièmes de milliardièmes de seconde après le Big Bang (le chiffre précis n’est pas encore connu !), l’Univers passe d’une tête d’épingle à sa taille presque actuelle. Les mots en fait ne suffisent pas à décrire l’événement, car l’expansion correspond en réalité à une multiplication des distances par 1025, un « un » suivi de 25 zéros…

 

 

 

 

 

 

Ce faisant, les petites imperfections initiales, les moindres fluctuations primordiales se retrouvent propulsées et imprimées dans l’image du fond diffus, formant les vaguelettes repérées par les instruments. Et de ces variations de densité de matière naîtront les grains de poussière, les étoiles…

LES ENFANTS DE FLUCTUATIONS QUANTIQUES

Par définition, ces perturbations sont de nature quantique, l’adjectif idoine pour décrire l’infiniment petit. Si bien que nous sommes finalement aussi les enfants de fluctuations quantiques. « L’inflation, c’est un peu ce qui fait bang dans Big Bang », ironise Benjamin Wandelt, à l’Institut d’astrophysique de Paris. « Les détails du fond diffus permettent même de voir comment cette inflation s’est terminée », rappelle François Bouchet. C’est donc aussi une partie invisible de l’histoire que révèle ce cliché. « Nous avons aussi éliminé pas mal de modèles sans inflation », confirme Benjamin Wandelt, qui a testé bon nombre d’hypothèses alternatives.

En outre, cerise sur le gâteau, les chercheurs ont découvert quels objets massifs les photons fossiles ont rencontré sur leur trajet jusqu’à nous. Des analyses subtiles ont tenu compte des déviations imposées par des structures gigantesques comme les amas de galaxies sur la trajectoire du rayonnement durant ces milliards d’années. « Le travail doit se poursuivre mais d’ores et déjà la coïncidence entre notre carte des grandes structures et celles obtenues par d’autres observations est remarquable », constate Alain Riazuelo.

Enfin, les chercheurs confirment qu’il existe bien une anomalie non encore expliquée par le modèle standard, ni même par aucun autre actuellement. « C’est comme si les amplitudes des vagues de notre image situées très loin l’une de l’autre étaient plus faibles qu’attendu », estime Jean-Loup Puget. « Dans les semaines à venir, des dizaines d’articles fleuriront pour tenter d’expliquer le phénomène », prévoit Alain Riazuelo.

 

 

 

 

 

 

L’histoire est donc loin d’être terminée. Planck ne se contente pas de rendrepublics 29 articles d’analyses accompagnés de ces fameuses photos. Il fournit aussi les données pour que d’autres s’en emparent et les confrontent à des théories ou aux autres expériences. « Cette grosse dose d’informations va occuperla communauté pendant au moins dix ans », anticipe Jean-Philippe Uzan de l’Institut d’astrophysique de Paris et qui n’a pas participé à la mission.

L’équipe n’a pas non plus achevé l’analyse de ses propres données. Outre la température, elle a en effet aussi enregistré une propriété du rayonnement, appelée polarisation, qui pourrait encore améliorer nos connaissances sur l’inflation. Cette dernière, en déchirant l’espace avec une telle violence, a créé des ondes de matière qui s’impriment aussi dans le fond diffus. Personne n’a encore vu ces ondes dites gravitationnelles, mais la collaboration Planck dans un an espère soit les voir pour la première fois, soit mieux les cerner. Le bébé Univers n’a pas fini de crier.

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