Les anisotropies du fond diffus cosmologique, ou CMB, comme observé par la mission Planck de l'ESA. Le CMB est un instantané de la plus ancienne lumière de notre cosmos, imprimée dans le ciel alors que l'Univers n'avait que 380 000 ans. Il montre de minuscules fluctuations de température qui correspondent à des régions de densités légèrement différentes, représentant les graines de toute structure future :les étoiles et les galaxies d'aujourd'hui. La première vue de cette séquence montre les anisotropies de la température du CMB à la pleine résolution obtenue par Planck. Dans la deuxième vue, les anisotropies de température ont été filtrées pour montrer principalement le signal détecté sur des échelles autour de 5º sur le ciel. La troisième vue montre les anisotropies de température filtrées avec une indication supplémentaire de la direction de la fraction polarisée du CMB. Une petite fraction du CMB est polarisée - elle vibre dans une direction préférée. Ceci est le résultat de la dernière rencontre de cette lumière avec des électrons, juste avant de commencer son voyage cosmique. Pour cette raison, la polarisation du CMB conserve des informations sur la répartition de la matière dans l'Univers primordial, et sa configuration sur le ciel suit celle des infimes fluctuations observées dans la température du CMB. Ces images sont basées sur les données de la version Planck Legacy, la publication finale des données de la mission, publié en juillet 2018. Crédit :ESA/Planck Collaboration
Le satellite Planck de l'ESA n'a trouvé aucune nouvelle preuve des anomalies cosmiques déroutantes qui sont apparues dans sa carte des températures de l'Univers. La dernière étude n'exclut pas la pertinence potentielle des anomalies, mais elles signifient que les astronomes doivent travailler encore plus dur pour comprendre l'origine de ces caractéristiques déroutantes.
Les derniers résultats de Planck proviennent d'une analyse de la polarisation du rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB), la lumière la plus ancienne de l'histoire cosmique, publié alors que l'Univers n'avait que 380 000 ans.
L'analyse initiale du satellite, qui a été rendu public en 2013, concentré sur la température de ce rayonnement à travers le ciel. Cela permet aux astronomes d'étudier l'origine et l'évolution du cosmos. Bien qu'il ait principalement confirmé l'image standard de l'évolution de notre Univers, La première carte de Planck a également révélé un certain nombre d'anomalies difficiles à expliquer dans le modèle standard de la cosmologie.
Les anomalies sont de faibles caractéristiques du ciel qui apparaissent à de grandes échelles angulaires. Ce ne sont certainement pas des artefacts produits par le comportement du satellite ou le traitement des données, mais elles sont suffisamment faibles pour qu'elles puissent être des aléas statistiques — des fluctuations qui sont extrêmement rares mais pas entièrement exclues par le modèle standard.
Alternativement, les anomalies pourraient être le signe d'une "nouvelle physique", le terme utilisé pour les processus naturels encore non reconnus qui étendraient les lois connues de la physique.
Pour approfondir la nature des anomalies, l'équipe de Planck a regardé la polarisation du CMB, qui a été révélé après une analyse minutieuse des données multifréquences visant à éliminer les sources d'émission de micro-ondes au premier plan, y compris le gaz et la poussière dans notre propre galaxie de la Voie lactée.
Un résumé de l'histoire de près de 14 milliards d'années de l'Univers, montrant en particulier les événements qui ont contribué au fond diffus cosmologique, ou CMB. La chronologie dans la partie supérieure de l'illustration montre une vue artistique de l'évolution du cosmos à grande échelle. Les processus décrits vont de l'inflation, la brève ère d'expansion accélérée que l'Univers a subie alors qu'il n'avait qu'une infime fraction de seconde, à la sortie du CMB, la plus ancienne lumière de notre Univers, imprimée dans le ciel alors que le cosmos n'avait que 380 000 ans ; et des « âges sombres » à la naissance des premières étoiles et galaxies, qui a réionisé l'Univers quand il avait quelques centaines de millions d'années, jusqu'au temps présent. De minuscules fluctuations quantiques générées pendant l'époque de l'inflation sont les germes de la structure future :les étoiles et les galaxies d'aujourd'hui. Après la fin de l'inflation, des particules de matière noire ont commencé à s'agglutiner autour de ces graines cosmiques, construisant lentement un réseau cosmique de structures. Plus tard, après la sortie du CMB, la matière normale a commencé à tomber dans ces structures, donnant finalement naissance à des étoiles et des galaxies. Les encarts ci-dessous montrent une vue agrandie de certains des processus microscopiques qui se déroulent au cours de l'histoire cosmique :des minuscules fluctuations générées lors de l'inflation, à la soupe dense de lumière et de particules qui remplissait l'univers primitif; de la dernière diffusion de la lumière par les électrons, qui a donné naissance au CMB et à sa polarisation, à la réionisation de l'Univers, causés par les premières étoiles et galaxies, ce qui a induit une polarisation supplémentaire sur le CMB. Crédit :ESA
Ce signal est la meilleure mesure à ce jour des modes E de polarisation dits CMB, et remonte à l'époque où les premiers atomes se sont formés dans l'Univers et le CMB a été libéré. Il est produit par la diffusion de la lumière par les particules d'électrons juste avant que les électrons ne soient rassemblés en atomes d'hydrogène.
La polarisation fournit une vue presque indépendante du CMB, donc si les anomalies devaient également apparaître là-bas, cela augmenterait la confiance des astronomes dans le fait qu'ils pourraient être causés par la nouvelle physique plutôt que par des hasards statistiques.
Alors que Planck n'a pas été conçu à l'origine pour se concentrer sur la polarisation, ses observations ont été utilisées pour créer les cartes de tout le ciel les plus précises de la polarisation CMB à ce jour. Ceux-ci ont été publiés en 2018, améliorant grandement la qualité des premières cartes de polarisation de Planck, sorti en 2015.
Lorsque l'équipe Planck a examiné ces données, ils n'ont vu aucun signe évident des anomalies. Au mieux, l'analyse, publié aujourd'hui dans Astronomie et astrophysique , a révélé quelques indices faibles que certaines des anomalies peuvent être présentes.
"Les mesures de polarisation de Planck sont fantastiques, " dit Jan Tauber, Scientifique du projet ESA Planck.
"Malgré les excellentes données dont nous disposons, nous ne voyons aucune trace significative d'anomalies."
Carte de l'amplitude de polarisation du fond diffus cosmologique (CMB) observée par le satellite Planck de l'ESA. Alors que des fluctuations du CMB sont présentes et ont été observées par Planck jusqu'à de très petites échelles angulaires, ces images ont été filtrées pour montrer majoritairement le signal détecté à assez grande échelle dans le ciel, environ 5 degrés – à titre de comparaison, la pleine Lune s'étend sur environ un demi-degré. A ces grandes échelles, un certain nombre d'anomalies sont observées dans la température du CMB - ce sont des caractéristiques difficiles à expliquer dans le modèle standard de la cosmologie, qui repose sur l'hypothèse que l'Univers, à grande échelle, a les mêmes propriétés lorsqu'on l'observe dans toutes les directions. L'anomalie la plus grave est un déficit du signal observé sur des échelles autour de 5 degrés, ce qui est environ dix pour cent plus faible que prévu. D'autres traits anormaux sont un écart significatif du signal observé dans les deux hémisphères opposés du ciel (les deux hémisphères sont délimités par le grand, courbe à peu près en forme de U dans l'image, le nord étant au centre) et un soi-disant "point froid" - un grand, point à basse température avec un profil de température inhabituellement raide (l'emplacement de ce point est également indiqué en bas à droite). De telles anomalies n'ont pas été détectées, du moins pas à un niveau significatif, dans les observations de Planck de la polarisation du CMB. Une comparaison entre la carte du haut, montrant la mesure totale de Planck - comprenant à la fois le signal et le bruit - avec la carte du bas, montrant seulement le bruit, indique que certaines caractéristiques anormales peuvent être présentes, comme par exemple une asymétrie de puissance entre les deux hémisphères, mais ils ne sont pas statistiquement convaincants. L'absence d'anomalies statistiquement significatives dans les cartes de polarisation n'exclut pas la pertinence potentielle de celles observées dans la température, mais rend encore plus difficile la compréhension de l'origine de ces caractéristiques déroutantes. Les régions affichées en gris sur les cartes ont été masquées dans l'analyse pour éviter les émissions résiduelles de premier plan de notre Voie lactée ou de sources extragalactiques affectant les résultats cosmologiques. Crédit :Collaboration ESA/Planck
Toute en face, cela semblerait rendre les anomalies plus susceptibles d'être des hasards statistiques, mais en réalité, cela n'exclut pas une nouvelle physique car la nature pourrait être plus délicate que nous ne l'imaginons.
Jusqu'à présent, il n'y a pas d'hypothèse convaincante sur le type de nouvelle physique qui pourrait être à l'origine des anomalies. Donc, il se pourrait que le phénomène responsable n'affecte que la température du CMB, mais pas la polarisation.
De ce point de vue, alors que la nouvelle analyse ne confirme pas qu'une nouvelle physique est en cours, il lui impose des contraintes importantes.
L'anomalie la plus grave qui s'est manifestée dans la carte de température du CMB est un déficit du signal observé aux grandes échelles angulaires sur le ciel, environ cinq degrés - à titre de comparaison, la pleine Lune s'étend sur environ un demi-degré. A ces grandes échelles, Les mesures de Planck sont environ dix pour cent plus faibles que ce que le modèle standard de la cosmologie pourrait prédire.
Planck a également confirmé, avec une confiance statistique élevée, d'autres traits anormaux qui avaient été évoqués dans des observations précédentes de la température du CMB, tel qu'un écart important du signal observé dans les deux hémisphères opposés du ciel, et un soi-disant « point froid » - un grand, point à basse température avec un profil de température inhabituellement raide.
"Nous avons dit au moment de la première publication que Planck testerait les anomalies à l'aide de ses données de polarisation. Le premier ensemble de cartes de polarisation suffisamment propres à cet effet a été publié en 2018, maintenant nous avons les résultats, " dit Krzysztof M. Górski, l'un des auteurs du nouveau document, du Jet Propulsion Laboratory (JPL), Caltech, NOUS..
Carte de la température du fond diffus cosmologique (CMB) observée par le satellite Planck de l'ESA. Alors que des fluctuations du CMB sont présentes et ont été observées par Planck jusqu'à de très petites échelles angulaires, ces images ont été filtrées pour montrer majoritairement le signal détecté à assez grande échelle dans le ciel, environ 5 degrés et plus – à titre de comparaison, la pleine Lune s'étend sur environ un demi-degré. A ces grandes échelles, un certain nombre d'anomalies sont observées dans la température du CMB - ce sont des caractéristiques difficiles à expliquer dans le modèle standard de la cosmologie, qui repose sur l'hypothèse que l'Univers, à grande échelle, a les mêmes propriétés lorsqu'on l'observe dans toutes les directions. L'anomalie la plus grave est un déficit du signal observé sur des échelles autour de 5 degrés, ce qui est environ dix pour cent plus faible que prévu. D'autres traits anormaux sont un écart significatif du signal observé dans les deux hémisphères opposés du ciel (les deux hémisphères sont délimités par le grand, courbe à peu près en forme de U dans l'image, le nord étant au centre) et un soi-disant "point froid" - un grand, point à basse température avec un profil de température inhabituellement raide (également décrit en bas à droite). Une comparaison entre la carte du haut, montrant la mesure totale de Planck - comprenant à la fois le signal et le bruit - avec la carte du bas, montrant seulement le bruit, indique que les caractéristiques anormales ne sont clairement pas des artefacts car elles sont bien présentes dans le signal et non dans le bruit. De telles anomalies n'ont pas été détectées, du moins pas à un niveau significatif, dans les observations de Planck de la polarisation du CMB. L'absence d'anomalies statistiquement significatives dans les cartes de polarisation n'exclut pas la pertinence potentielle de celles observées dans la température, mais rend encore plus difficile la compréhension de l'origine de ces caractéristiques déroutantes. Les régions affichées en gris sur les cartes ont été masquées dans l'analyse pour éviter les émissions résiduelles de premier plan de notre Voie lactée ou de sources extragalactiques affectant les résultats cosmologiques. Crédit :Collaboration ESA/Planck
Malheureusement, les nouvelles données n'ont pas poussé le débat plus loin, car les derniers résultats ne confirment ni n'infirment la nature des anomalies.
"Nous avons quelques indices que, dans les cartes de polarisation, il pourrait y avoir une asymétrie de puissance similaire à celle qui est observée dans les cartes de température, bien que cela reste statistiquement peu convaincant, " ajoute Enrique Martínez González, également co-auteur de l'article, de l'Instituto de Física de Cantabria à Santander, Espagne.
Bien qu'une analyse plus approfondie des résultats de Planck soit en cours, il est peu probable qu'ils donnent des résultats significativement nouveaux sur ce sujet. La voie évidente pour progresser est une mission dédiée spécialement conçue et optimisée pour étudier la polarisation du CMB, mais c'est au moins 10 à 15 ans dans le futur.
"Planck nous a fourni les meilleures données dont nous disposerons depuis au moins une décennie, " déclare le co-auteur Anthony Banday de l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie de Toulouse, La France.
En attendant, le mystère des anomalies continue.
