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Posté par Adrien le Mardi 02/12/2014 à 12:00
Planck: révélations sur la matière noire et les neutrinos fossiles
La collaboration Planck, qui implique notamment le CNRS, le CEA, le CNES et plusieurs universités françaises, dévoile à la conférence de Ferrara (Italie) les résultats des quatre années d'observation du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne (ESA), dédié à l'étude du « rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille, os, dent,...) », la plus vieille lumière de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Pour la première fois, la plus ancienne image de notre univers est mesurée précisément selon deux paramètres de la lumière (en intensité et en polarisation), sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) de la voûte céleste. Cette lumière primordiale nous permet de « voir » les particules les plus insaisissables: la matière noire et les neutrinos fossiles.

De 2009 à 2013, le satellite Planck (Planck est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit être lancé en septembre 2008.) a observé le rayonnement fossile, la plus ancienne image de l'univers, encore appelé fonds diffus cosmologique. Aujourd'hui, avec l'analyse complète des données, la qualité de la carte obtenue est telle que les empreintes laissées par la matière noire et les neutrinos primordiaux, entre autres, sont clairement visibles.

Déjà, en 2013 la carte des variations d'intensité lumineuse avait été dévoilée, nous renseignant sur les lieux où se trouvait la matière 380000 ans après le Big-Bang (Le Big Bang[1] désigne l’époque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a environ 13,7 milliards...). Grâce à la mesure de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...) de cette lumière (pour le moment dans 4 des 7 canaux), Planck est capable de voir comment cette matière bougeait. Notre vision de l'univers primordial devient alors dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :). Cette nouvelle dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...) et la qualité des données permettent de tester de nombreux paramètres du modèle standard de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.). En particulier, elles éclairent aujourd'hui ce qu'il y a de plus insaisissable dans l'univers: la matière noire et les neutrinos.

De nouvelles contraintes sur la matière noire

Les résultats de la collaboration Planck permettent à présent d'écarter toute une classe de modèles de matière noire, dans lesquels l'annihilation matière noire - antimatière noire serait importante. L'annihilation entre une particule et son antiparticule (A chaque type de fermions fondamentaux correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l' électron est associé au positron, et les quark, à...) désigne la disparition conjointe de l'une et de l'autre, qui s'accompagne d'une libération d'énergie.

L'idée de matière noire commence à être largement admise mais la nature des particules qui la composent reste inconnue. Les modèles sont nombreux en physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes...) et l'un des buts aujourd'hui est de réduire le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) des possibles en multipliant les voies d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.), par exemple en recherchant des effets de cette matière mystérieuse sur la matière ordinaire et la lumière. Les observations de Planck montrent qu'il n'est pas nécessaire de faire appel à l'existence d'une forte annihilation matière noire - antimatière noire pour expliquer la dynamique des débuts de l'univers. En effet, un tel mécanisme produirait une quantité d'énergie qui influerait sur l'évolution du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les...) lumière-matière, en particulier aux périodes proches de l'émission du rayonnement fossile. Or, les observations les plus récentes n'en portent pas la trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie du plasma coronal, à travers des images haute...).


La zone bleue est exclue par les résultats actuels de la collaboration Planck: de nombreux modèles de matière noire sont ainsi écartés. © ESA - collaboration Planck

Ces nouveaux résultats sont encore plus intéressants lorsqu'ils sont confrontés aux mesures réalisées par d'autres instruments. Les satellites Fermi et Pamela (PAMELA (Payload for AntiMatter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) est un observatoire en orbite destiné à déterminer les caractéristiques de la matière noire.), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme l'expérience AMS-02 à bord de la station spatiale internationale (La Station spatiale internationale (en anglais International Space Station ou ISS) est un habitat placé en orbite terrestre basse, occupé en permanence par un équipage international qui se consacre à la recherche scientifique...), ont observé un excès de rayonnement cosmique, pouvant être interprété comme une conséquence de l'annihilation de matière noire. Compte tenu des résultats de Planck, il va falloir préférer une explication alternative à ces mesures d'AMS-02 ou de Fermi (par exemple l'émission de pulsars non détectés) si l'on fait l'hypothèse - raisonnable - que les propriétés de la particule de matière noire sont stables au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

Par ailleurs, la collaboration Planck confirme que la matière noire occupe un peu plus de 26 % de l'univers actuel (valeur issue de son analyse en 2013), et précise la carte de la densité de matière quelques milliards d'années après le Big-Bang grâce aux mesures en température et en polarisation en modes B.

Les neutrinos des premiers instants décelés

Les nouveaux résultats de la collaboration Planck portent aussi sur un autre type de particules très élusives: les neutrinos. Ces particules élémentaires «fantômes», produites en abondance dans le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) par exemple, traversent notre planète pratiquement sans interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.), ce qui rend leur détection extrêmement difficile. Il n'est donc pas envisageable de détecter directement les premiers neutrinos, produits moins d'une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de...) après le Big-Bang, qui sont extrêmement peu énergétiques. Pourtant, pour la première fois, Planck a détecté sans ambiguïté l'effet de ces neutrinos primordiaux sur la carte du rayonnement fossile.

Les neutrinos primordiaux décelés par Planck ont été libérés une seconde environ après le Big-Bang, lorsque l'univers était encore opaque à la lumière mais déjà transparent à ces particules qui peuvent s'échapper librement d'un milieu opaque aux photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...), tel que le coeur du Soleil. 380000 ans plus tard, lorsque la lumière du rayonnement fossile a été libérée, elle portait l'empreinte des neutrinos car les photons ont interagi gravitationnellement avec ces particules. Ainsi, observer les plus anciens photons a permis de vérifier les propriétés des neutrinos.


Contraintes et lien entre le nombre d'espèces de neutrinos, la vitesse (On distingue :) d'expansion de l'univers aujourd'hui H0 et le paramètre ?8 qui caractérise la structuration de la matière à grande échelle. Les points de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) correspondent aux contraintes température + effet de lentille gravitationnelle (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.) uniquement, les contours noirs en ajoutant la polarisation à toutes les grandes échelles angulaires et les oscillations acoustiques de baryons. Les lignes verticales correspondent à la valeur de Neff prédite par divers modèles: la ligne pleine correspond au modèle standard, les lignes pointillées à des modèles avec une quatrième espèce de neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) (selon le type de neutrino, actif ou stérile, et l'époque de leur découplage). © ESA - collaboration Planck

Les observations de Planck sont conformes au modèle standard de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) des particules. Elles excluent quasiment l'existence d'une quatrième famille de neutrinos auparavant envisagée d'après les données finales du satellite (Satellite peut faire référence à :) WMAP, le prédécesseur américain de Planck. Enfin, Planck permet de fixer une limite supérieure à la somme des masses des neutrinos, qui est à présent établie à 0.23eV (électronvolt).

Les données de la mission complète et les articles associés qui seront soumis à la revue Astronomy & Astrophysics (A&A) seront disponibles dès le 22 décembre 2014 sur le site de l'ESA. Ces résultats sont notamment issus des mesures faites avec l'instrument haute fréquence HFI conçu et assemblé sous la direction de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est...) d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles,...) spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) et exploité sous la direction de l'Institut d'astrophysique de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une...) (CNRS/UPMC) par différents laboratoires impliquant le CEA, le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et les universités, avec des financements du CNES et du CNRS.


Cartes de 30 par 30 degrés du signal polarisé à 353 GHz. Les couleurs tracent l'émission thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur...) de la poussière alors que les reliefs dessinent le champ magnétique galactique. © ESA- collaboration Planck, mise en relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé pour caractériser la forme de la surface de la Terre.) par Marc-Antoine Miville-Deschenes


Spectres de puissance angulaire du rayonnement fossile mesuré par Planck en température (TT), en polarisation scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les vecteurs, par opposition à un pseudoscalaire, qui est un nombre qui peut...) (EE) et en croisant température et polarisation scalaire (TE). L'abscisse est exprimée en multipole , qui correspond à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y...) d'une échelle angulaire ( =200 correspond à 1 degré environ, =30 à 6 degrés, =1500 à 0.13 degrés soit 8 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon,...) d'arc). Le modèle est représenté par les lignes rouges alors que les mesures correspondent aux point (Graphie) bleus. Planck permet à la polarisation du rayonnement fossile d'entrer dans l'ère de la cosmologie de précision. © ESA - collaboration Planck

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Source: CNRS-INSU