Planck : les ondes gravitationnelles restent insaisissables

Par Gaëlle Degrez / Publié le 02 février 2015

C’est la fin d’un suspens qui a tenu en haleine la communauté des cosmologues pendant près d’un an. Une nouvelle analyse conjointe des données issues des collaborations européenne Planck (dans laquelle l’Institut d’Astrophysique Spatiale –IAS, CNRS/UPSud- est fortement impliquée)  et américaines BICEP2 et Keck Array, vient de livrer ses résultats et d’invalider ce qui semblait être la découverte scientifique majeure du XXIème siècle : les traces détectées en mars 2014 par la collaboration américaine BICEP2, n’ont pas été laissées par les ondes gravitationnelles émises à l'issue du Big Bang.


Cette image montre une zone du ciel proche du pôle Sud galactique basée sur les observations faites par Planck-HFI à 353 GHz. Les couleurs représentent l’émission de la poussière, une composante mineure mais cruciale du milieu interstellaire qui baigne la Voie Lactée. La texture, en revanche, montre l’orientation du champ magnétique galactique ; cette information est déduite de la direction de l’émission de lumière polarisée par les poussières. La région indiquée par le pointillé blanc est celle qui a été observée par les expériences Keck Array et BICEP2 depuis le Pole Sud, et qui montre une présence non négligeable d’émission polarisée de poussières galactiques. © ESA / collaboration Planck, mise en relief par Marc-Antoine Miville-Deschênes de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS-CNRS/UPSud)

C’est évidemment une déception pour certains, mais c’est aussi ainsi que la science avance. La détection d’ondes gravitationnelles primordiales qu’une équipe américaine travaillant sur le télescope BICEP2 basé au pôle sud avait annoncée en mars 2014, vient d’être invalidée. L’information avait fait grand bruit car ces ondes, prévues par la théorie de la relativité d’Einstein mais jamais observées jusqu’à présent pourraient être la confirmation du modèle cosmologique en vigueur. Elles auraient en effet été produites lors du Big Bang, il y a 13,8 milliards d’années, sans doute lors de la première phase d’expansion exponentielle pendant une infime fraction de seconde appelée inflation. Si elles sont beaucoup trop faibles pour être détectées aujourd’hui directement sur Terre, elles ont pu laisser une empreinte sur le fond diffus cosmologique, qui est en quelque sorte le rayonnement fossile du Big-Bang.  Ce fond diffus se caractérise notamment par sa polarisation, c'est-à-dire le fait que la lumière oscille selon des directions particulières. Or les astrophysiciens sont convaincus que certains de ces modes de polarisation, les modes appelés B (cf encadré), sont plus particulièrement à même de leur livrer la clé du secret.  La recherche des modes B primordiaux est au cœur de l’enquête. Or, c’est bien un signal polarisé en modes B que l’équipe américaine a détecté. Le doute s’est pourtant rapidement installé dans la communauté scientifique. Les modes B de BICEP2 n’étaient-ils pas, au moins partiellement, dus à un signal galactique ? La présence de poussières interstellaires de notre Voie Lactée polarise en effet aussi la lumière et peut contaminer le signal cosmologique recherché. L’équipe Planck était seule en mesure d’aborder cette question, grâce à ses données d’observation du ciel à une fréquence d’émission plus haute que celle de BICEP, où le signal galactique est dominant. 

Une collaboration qui porte ses fruits

Après des premiers éléments de réponse abondant dans ce sens apportés par Planck en septembre 2014, les équipes européennes et américaines ont travaillé de concert pour analyser toutes leurs données, complétées par de nouvelles observations obtenues depuis mars avec le télescope Keck également au Pôle Sud. « Ce travail en commun a montré que la détection des modes B primordiaux n’est pas validée, une fois l'émission de la poussière galactique retirée des données», explique Jean-Loup Puget, investigateur principal de l'instrument HFI de Planck à l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS-CNRS/UPSud). « Donc, malheureusement, il n’est actuellement pas encore possible de confirmer que le signal est une empreinte de l'inflation cosmique. » Cela ne signifie pourtant pas que ce signal n’existe pas, il est seulement trop faible pour être détecté avec ce jeu de données. En revanche, cela a permis à la collaboration Planck/BICEP2/Keck d’établir une limite supérieure pertinente à l’intensité des ondes gravitationnelles primordiales. Cette limite directe est en accord avec celle obtenue indirectement en 2013 par Planck seul sur la base des fluctuations en température du fond diffus. La quête n’est donc pas terminée. Elle va continuer avec des observations toujours plus précises. Grâce à ce résultat, le relevé Planck a prouvé qu’il restera, pour très longtemps encore, la référence incontournable pour séparer les composantes cosmologiques et galactiques du signal.

Dans les jours à venir, de nouvelles informations inédites dans d’autres domaines devraient être publiées par les équipes scientifiques de Planck. Affaire à suivre !

Les modes B de polarisation dans la quête des ondes gravitationnelles primordiales
La polarisation est une propriété du rayonnement électromagnétique. Celui-ci est polarisé quand les champs électrique et magnétique vibrent préférentiellement dans une direction donnée. Le rayonnement est polarisé de différentes manières suivant la nature du signal, dessinant des motifs distincts sur le ciel. Deux modes de polarisation se superposent dans ce dessin céleste : des motifs symétriques, invariants par réflexion sur un miroir, formant des figures circulaires et radiales, ce sont les modes E ; et des motifs asymétriques évoquant des tourbillons, ce sont les modes B. La polarisation E du fond diffus cosmologique est déjà mesurée, mais c’est le signal B qui porterait sans ambiguïté l’empreinte recherchée de l’inflation.

 

Contacts : Jean-Loup Puget, investigateur principal de l'instrument HFI de Planck à l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS-CNRS/UPSud) – puget @ ias.u-psud.fr

François Boulanger, Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS-CNRS/UPSud) - francois.boulanger @ ias.u-psud.fr

Marc-Antoine Miville-Deschenes, Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS-CNRS/UPSud) - marc-antoine.miville-deschenes @ ias.u-psud.fr

Jonathan Aumont, Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS-CNRS/UPSud) - jonathan.aumont@ias.u-psud.fr

Dernière modification le 5 février 2015