Des astrophysiciens du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian ont annoncé le 17 mars 2014 avoir détecté l'empreinte des ondes gravitationnelles, c'est-à-dire des perturbations de la structure de l'espace-temps dans le rayonnement cosmologique à 2.7 K.
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| Le South Pole Telescope. |
Cette découverte réalisée grâce à l'expérience BICEP2 (Cosmic Extragalactic Polarization 2) menée au Pôle Sud confirme le fait que l'Univers est bien en expansion, apportant un nouvel indice en faveur de la théorie de la Relativité générale d'Einstein et de la théorie de l'inflation de l'Univers d'Alan Guth.
En effet, les ondes gravitationnelles évoluent dans l'espace à l'image des vagues à la surface de l'eau. Mais comme une petite goutte de pluie ne fait pas beaucoup de vagues, il est très difficile de détecter les ondes gravitationnelles émises par une étoile ou un phénomène ordinaire.
Ces perturbations ne sont détectables que lorsqu'elles sont générées par des mouvements d'accélérations très violents, par exemple par deux trous noirs en interaction ou au cours de la collision d'un système binaire comprenant une étoile très massive.
Un autre événement d'ampleur astronomique capable d'engendrer des ondes gravitationnelles est le phénomène du Big Bang lui-même qui a donné naissance à l'Univers.
En effet, ce rayonnement cosmologique constitué de gravitons s'est découplé des autres interactions (interactions forte et électrofaible) juste à la fin de l'inflation, vers 10-36 sec. après le Big Bang, et n'a pratiquement plus interagit depuis.
Ces ondes se manifestent notamment en déformant l'espace lors de leur passage près d'un astre, par exemple près d'un pulsar en modifiant la fréquence de ses flashes. Elles polarisent également la lumière des photons du rayonnement diffus cosmologique à 2.7 K. C'est justement ce deuxième effet que les chercheurs ont découvert.
En effet, ce rayonnement cosmologique constitué de gravitons s'est découplé des autres interactions (interactions forte et électrofaible) juste à la fin de l'inflation, vers 10-36 sec. après le Big Bang, et n'a pratiquement plus interagit depuis.
Ces ondes se manifestent notamment en déformant l'espace lors de leur passage près d'un astre, par exemple près d'un pulsar en modifiant la fréquence de ses flashes. Elles polarisent également la lumière des photons du rayonnement diffus cosmologique à 2.7 K. C'est justement ce deuxième effet que les chercheurs ont découvert.
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| Fréquences et sources d'ondes gravitationnelles. Document NASA. |
La polarisation du rayonnement à 2.7 K
Les chercheurs ont découvert la polarisation ou orientation spécifique (dite primordiale en mode B) du rayonnement cosmologique à 2.7 K, une propriété qui fut provoquée par les ondes gravitationnelles générées suite au phénomène d'inflation, et capturées telles qu'elles étaient 380000 ans après la naissance de l'univers, il y a un peu plus de 13.4 milliards d'années.
Selon le radioastronome Robert W. Wilson qui découvrit le rayonnement fossile à 2.7 K avec Arno Penzias en 1964 et qui reçurent tout deux le Prix Nobel de Physique en 1978, "si cette découverte est confirmée, elle vaut sans aucun doute un prix Nobel."
Cette découverte majeure, plus importante encore que la découverte du boson de Higgs en 2012, tout aussi importante que celle du rayonnement fossile, doit encore être confirmée.
En effet, le signal est noyé dans les parasites artificiels et les sources discrètes extragalactiques mais également dans l'importante émission générée par le dipôle provoqué par le déplacement de la Voie Lactée (créant une sorte d'effet Doppler) et par la Voie Lactée (la poussière et autre rayonnement synchrotron des rayons cosmiques omniprésents). Rien que le nettoyage de ce "bruit" ambiant a pris près d'un an.
En effet, le signal est noyé dans les parasites artificiels et les sources discrètes extragalactiques mais également dans l'importante émission générée par le dipôle provoqué par le déplacement de la Voie Lactée (créant une sorte d'effet Doppler) et par la Voie Lactée (la poussière et autre rayonnement synchrotron des rayons cosmiques omniprésents). Rien que le nettoyage de ce "bruit" ambiant a pris près d'un an.
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| Les tirets noirs indiquent des variations de polarisation dans le rayonnement cosmique fossile qui auraient été produites par les ondes gravitationnelles émises durant l'inflation de l'Univers. Document BICEP2. |
L'inflation et la Théorie de Grande Unification
Selon le physicien théoricien Alan Guth du MIT qui fut l'un des premiers à prédire le phénomène d'inflation cosmique en 1980 avec Andrei Linde, "il y a un risque que la découverte soit erronée, mais je pense qu'il est fort probable que les résultats tiennent debout. Je pense qu'ils ont réalisé un incroyable travail d'analyse."
D'après les analyses, on peut déjà conclure que l'amplitude des fluctuations du rayonnement fossile induite par les ondes gravitationnelles indique que l'inflation a commencé plus tôt que certains modèles le prédisent, soit un trillion de trillion de trillion de fraction de seconde après le Big Bang, (au plus tard vers 10-36 sec.).
En corollaire, la durée de cette phase d'inflation apporte une indication sur le niveau d'énergie présent dans l'Univers durant l'inflation.
Il apporte aussi un indice sur le niveau d'énergie requis pour unifier les trois interactions fondamentales (à l'exception de la gravitation) à une époque encore plus reculée, c'est-à-dire dans le cadre de la fameuse Théorie de Grande Unification (GUT). Ces relevés permettent déjà d'écarter un certain nombre de modèles qui ne respectent pas ces niveaux d'énergie.
Analyse des données
Le détecteur BICEP2 a mis en évidence une composante polarisée en mode B très intense du rayonnement fossile qui ne peut ne pas être confondue avec une erreur statistique ou un autre phénomène. D'ailleurs les chercheurs ont été très prudents avant d'annoncer leur découverte.
Les données furent enregistrées par BICEP2, un appareil équipé de 250 polariseurs placés sur deux lignes perpendiculaires qui chacun ont mesuré les effets de la polarisation du rayonnement radioélectrique fossile à 2.7 K.
L'expérience s'est déroulée entre janvier 2010 et décembre 2012 à la station Amundsen-Scott du Pôle Sud où l'air froid et sec offre d'excellentes conditions d'observations.
Une seconde expérience fut conduite avec le South Pole Telescope (SPT) qui découvrit les modes B de la polarisation du rayonnement fossile.
Les données furent enregistrées par BICEP2, un appareil équipé de 250 polariseurs placés sur deux lignes perpendiculaires qui chacun ont mesuré les effets de la polarisation du rayonnement radioélectrique fossile à 2.7 K.
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| L'instrument BICEP2. |
Une seconde expérience fut conduite avec le South Pole Telescope (SPT) qui découvrit les modes B de la polarisation du rayonnement fossile.
Les astronomes ont mis plus d'un an pour analyser les données et notamment pour exclure les sources d'erreurs possibles et rechercher d'autres explications plausibles (une polarisation peut aussi être générée par un autre phénomène céleste comme par exemple une lentille gravitationnelle).
Finalement, ils sont arrivés à la conclusion que les deux expériences donnaient les mêmes résultats et n'avaient qu'une seule explication plausible.
Finalement, ils sont arrivés à la conclusion que les deux expériences donnaient les mêmes résultats et n'avaient qu'une seule explication plausible.
Maintenant que les astronomes savent ce qu'ils doivent chercher et avec quelle résolution, dans les années à venir ils vont continuer à analyser les enregistrements ainsi que ceux récoltés par d'autres instruments similaires afin de compléter leurs données ce qui permettra d'affiner les modèles de l'Univers inflationnaire et les théories de GUT.
Pour plus d'informations
Nature, 17 March 2014
New Scientist, 17 mars 2014
Large Angular Scale Polarization of the Cosmic Microwave Background Radiation and the Feasibility of Its Detection, B.Keating et al., AJ, 1998
Polarization of the blackbody radiation at 3.2 centimeters, G.Nanos, AJ, 1979
Nature, 17 March 2014
New Scientist, 17 mars 2014
Large Angular Scale Polarization of the Cosmic Microwave Background Radiation and the Feasibility of Its Detection, B.Keating et al., AJ, 1998
Polarization of the blackbody radiation at 3.2 centimeters, G.Nanos, AJ, 1979
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