Du Big Bang à la mission Planck: La mission Planck

Nous finissons notre série sur la mission Planck avec le chapitre: La mission Planck

La sonde

La sonde Planck a été lancée le 14 mai 2009 à partir d'une fusée Ariane 5, en direction du point L2 de Lagrange, comme son prédécesseur. La sonde Planck est équipée de deux instruments principaux: High et Low Frequency Instrument: HFI et LFI. Ces instruments explorent 9 fréquences différentes (LFI: 30, 44, 70 GHz, et HFI: 100, 143, 217, 353, 545 et 857 GHz), afin de cartographier le ciel et supprimer les perturbations d'avant plan, qui peuvent être des sources de micro-ondes, comme le centre galactique, ou bien des sources de lentilles gravitationnelles, comme les amas de galaxies.

Le système de refroidissement

Pour mesurer des températures d'environ 3 K (Kelvin) au-dessus du zéro absolu, ces instruments doivent être refroidis à une température inférieure (environ 0.1 K).

La sonde comporte de l'électronique, qui dissipe plusieurs centaines de Watts à environ 300 K par les parties noires à la base du satellite. Des ailettes sont disposées afin d'isoler la base de la sonde des instruments hautement sensibles (dissipation 2 W), permettant d'atteindre 50 K. C'est ce qui constitue le système de refroidissement passif de la sonde.

Ensuite, une machine cryogénique consommant la moitié de l'énergie disponible à bord refroidit à 20 K, elle fonctionne par détente d'hydrogène dans un cycle Joule-Thomson. Cette machine détermine la température de fonctionnement des radiomètres de l'instrument LFI et constitue le premier maillon actif de la chaîne de refroidissement de l'instrument HFI. La puissance de refroidissement est de 1 W environ.

Puis une deuxième machine cryogénique refroidit à 4 K (-269° C). C'est une pompe mécanique qui refroidit par détente Joule-Thomson d'hélium. Cette machine détermine la température de référence des radiomètres de l'instrument LFI (qui observe la différence entre le ciel et cette référence constituée par l'enveloppe de HFI). La puissance de refroidissement est de 0.015 W environ.

Le refroidissement à 0.1 K se fait en deux étapes:

- Une première partie de ce système cryogénique refroidit à 1.6 K (-271.4° C). Elle fonctionne par détente Joule-Thomson du mélange hélium 3 / hélium 4 et prérefroidit les gaz purs de la dilution ainsi que les filtres de l'instrument HFI. La puissance de refroidissement est de 0.005 W environ.

- La seconde partie de ce système refroidit à 0.1 K (-273° C). Elle fonctionne par dilution d'hélium 3 dans l'hélium 4 en circuit ouvert (le mélange est perdu dans l'espace, ce sont les réservoirs d'hélium 3 qui dimensionnent la durée de vie de la sonde). Cette machine détermine la température de fonctionnement des bolomètres de l'instrument HFI. La puissance de refroidissement est de 0.000002 W environ.

Enigmes: pourquoi l'Univers est-il plat ? Où est l'antimatière ?

Résultats du 21 mars 2013

Le 21 mars 2013 a eu lieu une série de conférences annonçant les résultats préliminaires de la sonde Planck. L'on peut voir que Planck a considérablement augmenté la résolution angulaire en étendant la courbe vers la droite. En effet, on peut distinguer jusqu'à 7 voire 8 pics, alors que WMAP n'en montrait que 5. Les résultats se sont également améliorés du côté gauche de la courbe dû au système de refroidissement de la sonde, réduisant très sensiblement les bruits de mesure.


Les résultats confirment le modèle standard de la cosmologie, en affinant l'âge de l'Univers: 13.8 Gans, la proportion de matière baryonique, le taux de matière noire, et ainsi que la densité de l'énergie sombre. Ils confirment également que l'Univers a une géométrie très proche de celle que l'on a apprise à l'école: euclidienne (courbure proche de zéro à 1% près).

Les résultats contraignent également les différents modèles d'inflation, favorisant aujourd'hui les modèles les plus simples.

Il reste une anomalie inexplicable par la théorie standard: une très faible anisotropie se trouvant dans le plan de la Voie Lactée, déjà vu avec les données de WMAP, et confirmée avec Planck.

Résultats à venir

En 2014 seront publiées des données sur la polarisation du rayonnement fossile. La lumière est caractérisée par:
- sa fréquence (lumière plutôt rouge ou violet pour la lumière visible),
- son spectre (quelle intensité dans quelle plage de fréquences, cela ressemble au timbre d'un instrument de musique),
- sa polarisation (la lumière étant une onde transversale, elle peut osciller selon un plan de polarisation à préciser).

Sur le trajet entre la zone d'émission du rayonnement fossile et la sonde Planck, il y a des zones où les photons subissent ce que l'on appelle une diffusion de Thomson, provoquant une polarisation de ce rayonnement.

Il est possible de décomposer la polarisation de la lumière suivant deux modes: E et B, comme le montre l'image ci-dessus. Le mode E correspond à des perturbations dites scalaires (inhomogénéité de densité), déjà détectées par WMAP. Le mode B prend sa source dans des perturbations tensorielles, comme par exemple par la présence d'ondes gravitationnelles. La détection de ce mode confirmerait certains modèles d'inflation.


Selon les modèles les plus simples d'inflation, la courbe de polarisation devrait ressembler à la courbe ci-dessus. Les cosmologistes travaillant sur la sonde, les "Planckiens", espèrent que les données permettront de contraindre les modèles d'inflation.

Conclusion

Depuis la découverte du rayonnement fossile, ce sujet d'étude est extrêmement riche en enseignement, permettant de contraindre un certain nombre de modèles cosmologiques. Théâtre où se rejoignent l'infiniment grand et l'infiniment petit, les énergies mises en jeu juste après le Big Bang sont colossales, de très loin au-dessus des capacités technologiques actuelles. La physique décrivant les phénomènes ne peuvent s'expliquer que par la physique des très hautes énergies. Le rayonnement fossile pourra préciser le nombre de types de neutrinos, l'existence d'un nouveau champ scalaire: l'inflation, l'existence d'une nouvelle forme d'énergie aux propriétés étranges rendant la gravitation répulsive, et également l'existence d'une matière noire, très massive, probablement supersymétrique.

L'annonce de mars 2013 ne signe que le début de l'aventure Planck, même si la mission est désormais terminée (la sonde ayant épuisé ses réserves d'hélium 3 a été éteinte) et il reste encore beaucoup de données à exploiter.

Voir notre précédent article: Du Big Bang à la mission Planck: Questions restées sans réponse

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