Une nouvelle fenêtre sur l'univers primordial ?
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Alain Riazuelo, chercheur à l'Institut d'Astrophysique de Paris

Au mois de mars dernier, l'expérience américaine BICEP2 a annoncé avoir observé depuis le pôle sud des ondes gravitationnelles primordiales issues du Big Bang. Cette annonce, qui reste encore à confirmer, pourrait représenter une avancée majeure en cosmologie et dans notre connaissance des phases les plus reculées du Big Bang.

L'instrument américain BICEP2 a été installé au pôle sud, à proximité de la base Amudsen-Scott. Il fait suite à BICEP1, en opération de 2006 à 2008. BICEP2 a opéré de 2010 à 2012, à la suite de quoi les données ont été analysées pendant plus d'un an. L'expérience a depuis été arrêtée, et est en cours de remplacement par BICEP3, plus sensible et doté d'un plus grand nombre de détecteurs. Sur la droite du bâtiment se trouve le South Pole Telescope, qui abrite lui aussi d'autres instruments d'observation du fond diffus, et qui, indépendamment, servira à terme à alimenter le plus vaste réseau de radiotélescope au monde, l'Event Horizon Telescope.

Une brève histoire de la lumière

L'univers tel que nous le connaissons est issu d'une phase dense et chaude, le Big Bang. Celui-ci a laissé une trace dans tout le ciel sous forme d'un écho lumineux appelé fond diffus cosmologique. Initialement extraordinairement chaud, celui-ci a peu à peu été dilué et refroidi par l'expansion, au point de se présenter aujourd'hui sous la forme d'un rayonnement thermique extrêmement froid, à seulement 2,73 degré au-dessus du zéro absolu. Vestige d'une époque très ancienne de l'histoire de l'univers, il porte par ailleurs, entre autre du fait de sa polarisation, des traces d'événements remontant à une époque encore plus primordiale.

En effet, l'observation révèle que ce rayonnement est extrêmement uniforme, tout en présentant d'infime fluctuation de température en fonction de la direction d'observation, dont l'amplitude relative est de l'ordre de 0,001 %, et qui révèle des inhomogénéités dans la densité de la matière peu après le Big Bang. De telles inhomogénéités ne sont pas surprenantes en elles-mêmes 
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: elles sont les germes indispensables à partir desquels galaxies et amas de galaxies se formeront plus tard. Pour autant, nous ne connaissons pas l'origine de ces fluctuations, car il s'avère que leur existence nécessite de faire appel à des phénomènes physiques inconnus qui selon toute vraisemblance se sont produits à des températures extraordinairement élevées. Observer au mieux les fluctuations du fond diffus cosmologique ainsi que sa polarisation, c'est donc utiliser l'univers comme laboratoire ultime de physique des hautes énergies pour mieux connaître son histoire.

Le fond diffus cosmologique présente d'infime variations de température représentées en fausses couleurs sur l'image ci-dessus. Les structures révélées par ces fluctuations de température ont été produites par un phénomène encore mal connu qui s'est produit très tôt dans l'histoire de l'Univers.


Un peu de vocabulaire

Ce qui nous intéresse ici n'est pas la carte de l'intensité du fond diffus cosmologique, mais sa polarisation linéaire, qui est brièvement générée quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang du fait des interactions finissantes entre les életrons libres et le rayonnement.

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L'observation de la polarisation linéaire d'un rayonnement se fait à l'aide des fameux paramètres de Stokes Q et U. On peut bien sûr faire une cartographie de la polarisation d'une émission étendue, mais quand il s'agit de cartographier la polarisation sur la sphère céleste toute entière, la distinction entre les paramètres Q et U est quelque peu arbitraire, car elle dépend du choix de l'orientation du système d'axe du polariseur qui n'a pas de définition canonique sur la sphère céleste. Pour pallier à cet inconvénient, les cosmologistes ont opté pour une décomposition du champ de polarisation en deux composantes, les modes E, ou modes « électriques », et les modes B, ou modes « magnétiques ». Cette dénomination quelque peu trompeuse n'a rien à voir avec les champs électrique et magnétique d'une onde électromagnétique, mais vise essentiellement à dire que le champ de polarisation peut être décomposé en une partie scalaire (le mode « électrique »), et une partie pseudo-scalaire (le mode « magnétique », selon la façon dont le champ se transforme par parité. Un petit dessin valant mieux qu'un long discours, la figure ci-dessous résume ce à quoi ressemblent les modes E et B d'un champ de polarisation.

La polarisation linéaire d'un rayonnement peut être vue comme un champ de vcteurs sans flèche. Quand ce champ est purement radial ou orthoradial, il correspond à des modes E. Quand au contraire il possède localement une forme tourbillonante, on a affaire à des modes B. La décomposition du champ de polarisation en mode E et B.

Pourquoi s'intéresser à la polarisation du fond diffus cosmologique ?

Mais le plus important reste que, au-delà de cette distinction purement géométrique, les modes E et B ont des origines distinctes. La théorie des perturbations cosmologiques nous indique en effet que des ondes de densité générées très tôt dans l'histoire de l'univers peuvent, du fait de la diffusion Thomson, légèrement polariser le fond diffus cosmologique. Mais si on se restreint à l'ordre linéaire des perturbations, cette polarisation ne produit que des modes E. En revanche, d'éventuelles ondes gravitationnelles primordiales génèrent, du fait de leur interaction ténue avec la matière, à la fois des modes E et des modes B.

L'histoire est malheureusement compliquée par le fait que des effets non linéaires, au premier chef desquels les effets de lentille gravitationnelles, vont distordre la carte de polarisation du fond diffus, et transformer une partie de ses modes E en modes B. Fort heureusement, ces effets ne sont effectifs qu'à petite échelle, aussi la détection des modes B à grande échelle angulaire (plus d'un degré) est-elle selon toute vraisemblance le signe de la présence d'ondes gravitationnelles primordiales. Mais le plus grand danger réside dans le fait qu'en superposition du fond diffus cosmologique, nous observons également des émissions d'avant-plans, en particulier les poussières de notre propre galaxie, et que ces émissions là sont elles aussi susceptibles d'êtres polarisées suivant les deux modes.

Comment procéder ?

Observer le fond diffus cosmologique n'est pas très difficile en soi de nos jours : on fêtera l'an prochain le cinquantenaire de sa découverte par Penzias et Wilson. Mais ce qui nous intéresse ici concerne les fluctuations de l'intensité du fond diffus, qui sont typiquement inférieures au dix-millième de degré, et qui n'ont été observées que depuis vingt ans seulement. Et ces fluctuations là ne sont que faiblement polarisées.

A cela se rajoute un autre problème : l'existence de grandes structures dans l'univers, comme les galaxies et amas de galaxies, nous assure de l'existence d'ondes de densité primordiale, et donc du mode E de la polarisation, d'ailleurs détecté depuis une dizaines d'années désormais.
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Mais nous n'avons aucune garantie que des ondes gravitationnelles primordiales ont été créées, et, si c'est le cas, nous ne savons pas avec quelle intensité. La recherche des modes B primordiaux s'apparente donc à une quête incertaine où l'on ne sait pas quel sera degré de précision est nécessaire pour découvrir quelque chose.

L'expérience BICEP2, basée au pôle sud, a annoncé en mars dernier avoir enfin détecté ces modes B de la polarisation du fond diffus cosmologique, grâce à une nouvelle génération de détecteurs qui sont probablement les plus sensibles au monde. Pourquoi observer le fond diffus cosmologique du pôle sud ? Le lieu possède le double avantage de pouvoir observer certaines régions du ciel en continu, et d'être relativement peu gêné par l'atmosphère, du fait de l'altitude du site et du très faible taux d'humidité de l'air (le taux de précipitation y est de 6 à 7 centimètres de neige par an). Par ailleurs, parmi les zones observables en continu se trouve une région proche du pôle sud galactique, qui est a priori fort peu contaminée par des émissions d'avant plan. Malgré cet environnement favorable, BICEP2 a eu besoin de près de trois ans d'observation suivi d'un an d'analyse de données avant d'annoncer la détection de ces fameux modes B.

Vue en coupe de l'instrument proprement dit, avec le tube optique, le plan focal et de système de refroidissement. L'instrument est de taille modeste pour les standard astronomiques actuels : 1,2 m de long pour 26 centimètres de diamètre. Son successeur BICEP3 sera doté d'une architecture semblable, mais d'un diamètre deux fois plus grand, d'une meilleure résolution, et de cinq fois plus de détecteurs opérant à une fréquence différente.

Une détection directe ou indirecte ?

Du fait de la relation entre modes B de la polarisation du fond diffus et ondes gravitationnelles, plusieurs commentateurs ont parlé de ce résultat comme d'une détection directe des ondes gravitationnelles, affirmation accompagnée de l'inévitable couplet, quelque peu trompeur, selon lequel « Einstein avait raison ». Précisons que l'existence des ondes gravitationnelles ne fait absolument aucun doute au sein de la communauté scientifique, du fait que leur existence est une conséquence inévitable de la relativité générale, par ailleurs parfaitement bien testée, et que des preuves indirectes de leur existence sont parfaitement bien établies. La première historiquement, et de loin la plus connue, est celle des pulsars binaires, où le suivi régulier de l'orbite d'un système binaire composé d'au moins une étoile à neutron révèle une usure progressive de l'orbite qui se traduit par une diminution de la période orbitale, signe d'une perte d'énergie émise sous la forme d'ondes gravitationnelles. La seconde preuve, beaucoup moins connue, résulte dans l'étude de la statistique des périodes orbitales de certains systèmes incluant un objet compact arrachant de la matière à une étoile compagnon en orbite rapprochée – on parle alors de binaire X compacte – façonnée entre autres par les phénomènes d'usure d'orbite sur des temps longs par les ondes gravitationnelles. Bref, on sait depuis bien longtemps qu'Einstein avait raison !

Mais ces deux preuves font, au final intervenir les objets à l'origine de l'émission d'ondes gravitationnelles. C'est parce que les systèmes binaires voient leur période diminuer avec le temps, ou parce que les statistiques des périodes orbitales des binaires X compactes sont ce qu'elles sont que l'on sait que ces objets ont émis ou émettent des ondes gravitationnelles. Dans le cas des observations de BICEP2, on observe à l'inverse la trace des ondes gravitationnelles sur le fond diffus. S'agit-il d'une détection directe ? Si on considère que la détection directe nécessite un détecteur fait par la main de l'homme, tels LIGO ou VIRGO, la réponse est, à l'évidence, non. Mais si on considère que l'un des constituants de l'univers, à savoir le fond diffus cosmologique, peut faire office de détecteur, alors on peut éventuellement parler de détection directe. La chose est donc affaire de point de vue.

Un résultat encore à confirmer

Mais tout aussi impressionnante que soit la qualité des mesures de BICEP2, il reste difficile d'affirmer aujourd'hui que le signal observé est d'origine cosmologique. Car si celui-ci est effectivement compatible avec la trace laissée par des ondes gravitationnelles primordiales, il pourrait aussi, nous l'avons évoqué, être dû à des phénomènes tout à fait banals, à savoir des émissions polarisées situées en avant plan, par exemple en provenance de notre propre galaxie. Cette dernière hypothèse n'est pas retenue par l'équipe de BICEP2, au motif que la région observée a été sélectionnée du fait de sa très faible contamination par l'émission galactique (ce que l'on sait avec certitude depuis les résultats de Planck de l'an dernier), aussi la polarisation de cette dernière a-t-elle de fortes chances d'être négligeable. Mais à l'heure actuelle, personne ne peut l'affirmer avec certitude. Pour se faire il faudrait observer la région non pas à une seule fréquence comme l'a fait BICEP2 (en l'occurrence 150 GHz), mais à plusieurs, afin de vérifier que l'intensité de l'émission observée varie avec la fréquence conformément à une loi de corps noir. Cette mesure est particulièrement difficile à faire depuis la Terre du fait que la transmission atmosphérique se dégrade vite à haute fréquence, mais le satellite Planck devrait pouvoir apporter des éléments de réponse. Tout le monde attend donc avec impatience la carte de la polarisation à 353 GHz que publiera la collaboration à l'automne prochain...

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Les cartes des modes E et B dressée par BICEP2 (à gauche). Les bâtonnets indiquent l'orientation de la polarisation, et les codes de couleur les valeurs de E et B correspondantes. A noter que les échelles ne sont pas les mêmes pour les modes E (plus intenses) que les modes B. Si les modes E observés sont compatibles avec l'amplitude attendue du fait des ondes de densité, les modes B ne peuvent a priori s'expliquer que par des ondes gravitationnelles, la contribution due aux effets de ces échelles (cf. simulations à droite).


Quelles conséquences possibles ?

A l'heure actuelle, le mécanisme le plus populaire pour expliquer la genèse d'ondes de densité primordiales est l'inflation cosmique, qui se caractérise par une phase d'inflation particulièrement violente dans l'univers très jeune. Ces ondes de densité sont produites par des fluctuations d'origine quantiques de taille microscopique qui, sous l'effet de la dynamique atypique de l'expansion à cette époque, survivent et prennent une taille macroscopique. Cette formation d'ondes de densité primordiale s'accompagne de façon relativement inévitable de celle d'ondes gravitationnelles primordiales, quoique d'une amplitude moindre, tout à fait compatible avec ce qu'a observé BICEP2. Mais il reste un peu prématuré de conclure que les obsevations de BICEP2, même si elles sont confirmées, ont définitivement vérifié le paradigme de l'inflation.

Il y a une quinzaine d'années, les scientifiques s'étaient mis d'accord pour dire que la preuve décisive de l'inflation résulterait de l'observation de la trace des ondes gravitationnelles primordiale ─ ce que BICEP2 a peut-être réalisé ─ mais aussi de la façon dont l'intensité de ces ondes se distribue en fonction de l'échelle ─ ce que BICEP2 ne sera pas en mesure de faire, étant en limite de détection. En effet, l'inflation prédit une relation fort simple entre l'amplitude moyenne de ces ondes gravitationnelles et la décroissance de cette amplitude avec la fréquence, c'est-à-dire l'indice spectral. Aujourd'hui, BICEP2 n'a fait (modulo les réserves exprimées ci-dessus) que détecter la trace des ondes gravitationnelles. Il reste encore à affiner ces mesures pour voir si l'indice spectral de ces ondes gravitationnelles s'inscrit ou non dans le cadre des prédictions inflationnaires. Car il est existe des modèles alternatifs à l'inflation qui, fort heureusement, font des prédictions différentes. Par exemple le modèle de cosmologie de gaz de cordes proposé il y a quelques années par Robert Brandenberger prédit que l'indice spectral des ondes gravitationnel est « bleu » (l'amplitude des ondes augmente avec leur fréquence), alors que l'inflation prédit un spectre « rouge » (l'amplitude croît avec la longueur d'onde), avec de surcroît une relation bien précise entre la valeur de l'indice spectral et l'amplitude mesurée des ondes gravitationnelles. Il est probable que seule une mission satellite dédiée est en mesure de réaliser ces mesures avec la précision voulue.

Il est donc un peu prématuré de dire que l'inflation vient de se voir confirmée. Le raccourci étonnamment peu prudent d'une grande partie de la communauté cosmologique à l'annonce des résultats de BICEP2 a de quoi surprendre, mais il s'explique néanmoins par le fait que de nombreux autres tests de l'inflation ont pu être fait récemment, notamment grâce aux données de Planck, ce qui rend ce dernier qui reste à effectuer moins crucial aux yeux de certains. Mais bien sûr, l'histoire des sciences est là pour nous rappeler que les mauvaises surprises ne sont jamais à exclure.

En tout état de cause la détection de ces ondes gravitationnelles reste (si elle est confirmée, voir, à nouveau, ci-dessus) un moment important dans l'histoire de la physique, car ouvre une fenêtre quasi directe sur des phénomènes de très haute énergie. En effet, dans le cadre de l'inflation, le signal de BICEP2 nous donne l'échelle d'énergie associée à cette phase d'inflation qui serait de... 2x10^16 GeV, soit rien de moins que 13 ordres de grandeur de plus que la physique que l'on teste au LHC.


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