Les cosmologistes du California Institute of Technology ont utilisé des observations remontant à l'époque lointaine de l'univers lorsque les atomes se sont formés pour détecter les mouvements parmi les graines qui ont donné naissance à des amas de galaxies. Les nouveaux résultats montrent le mouvement de la matière primordiale en route vers la formation d'amas et de superamas de galaxies. Les observations ont été obtenues avec un instrument haut dans les Andes chiliennes connu sous le nom de Cosmic Background Imager (CBI), et elles apportent une nouvelle confiance dans la précision du modèle standard de l'univers primitif dans lequel l'inflation rapide s'est produite un bref instant après le Big Bang .
La nouveauté de ces observations de polarisation est qu'elles révèlent directement les germes des amas de galaxies et leurs mouvements au fur et à mesure qu'ils formaient les premiers amas de galaxies.
Dans l'article du 7 octobre de Science Express, Caltech's Rawn Professor of Astronomy, et chercheur principal sur le projet CBI, Anthony Readhead et son équipe disent que les nouveaux résultats de polarisation soutiennent fortement le modèle standard de l'univers comme un endroit où la matière noire et l'énergie noire sont beaucoup plus répandues que la matière quotidienne telle que nous la connaissons, ce qui pose un problème majeur pour la physique. Un article complémentaire décrivant les premières observations de polarisation avec le CBI a été soumis à l'Astrophysical Journal.
Le fond cosmique observé par le CBI provient de l'ère 400 000 ans seulement après le Big Bang et fournit une mine d'informations sur la nature de l'univers. À cette époque lointaine, aucune des structures familières de l'univers n'existait - il n'y avait pas de galaxies, d'étoiles ou de planètes. Au lieu de cela, il n'y a eu que de minuscules fluctuations de densité, et ce sont les graines à partir desquelles les galaxies et les étoiles se sont formées sous la main de la gravité.
Les instruments antérieurs au CBI avaient détecté des fluctuations sur de grandes échelles angulaires, correspondant à des masses beaucoup plus grandes que les superamas de galaxies. La haute résolution du CBI a permis d'observer pour la première fois en janvier 2000 les germes des structures que nous observons autour de nous dans le Space Magazine.
L'univers en expansion s'est refroidi et 400 000 ans après le Big Bang, il était suffisamment frais pour que les électrons et les protons se combinent pour former des atomes. Avant cette époque, les photons ne pouvaient pas voyager loin avant d'entrer en collision avec un électron, et l'univers était comme un brouillard dense, mais à ce stade, l'univers est devenu transparent et depuis lors, les photons ont coulé librement à travers l'univers pour atteindre nos télescopes aujourd'hui, 13,8 milliards d'années plus tard. Ainsi, les observations du fond des micro-ondes fournissent un instantané de l'univers tel qu'il était seulement 400 000 ans après le Big Bang, bien avant la formation des premières galaxies, étoiles et planètes.
Les nouvelles données ont été collectées par le CBI entre septembre 2002 et mai 2004, et couvrent quatre parcelles de ciel, couvrant une superficie totale de trois cents fois la taille de la lune et ne montrant des détails fins qu'une fraction de la taille de la lune. Les nouveaux résultats sont basés sur une propriété de la lumière appelée polarisation. C'est une propriété qui peut être facilement démontrée avec une paire de lunettes de soleil polarisantes. Si l'on regarde la lumière réfléchie par un étang à travers de telles lunettes de soleil et que l'on fait ensuite tourner les lunettes de soleil, on voit la lumière réfléchie varier en luminosité. En effet, la lumière réfléchie est polarisée et les lunettes de soleil polarisantes ne transmettent que la lumière dont la polarisation est correctement alignée avec les lunettes. Le CBI sélectionne également la lumière polarisée, et ce sont les détails de cette lumière qui révèlent le mouvement des graines des amas de galaxies.
Dans l'intensité totale, nous voyons une série de pics et de vallées, où les pics sont des harmoniques successives d'un «ton» fondamental. Dans l'émission polarisée, nous voyons également une série de pics et de vallées, mais les pics de l'émission polarisée coïncident avec les vallées de l'intensité totale, et vice versa. En d'autres termes, l'émission polarisée est exactement en décalage avec l'intensité totale. Cette propriété de l'émission polarisée étant en décalage avec l'intensité totale indique que l'émission polarisée provient du mouvement du matériau.
La première détection d'émission polarisée par le DASI (Degree Angular Scale Interferometer), le projet jumeau du CBI, en 2002 a fourni des preuves spectaculaires de mouvement dans le premier univers, tout comme les mesures effectuées par la sonde d'anisotropie hyperfréquences Wilkinson (WMAP) en 2003. Les résultats du CBI annoncés aujourd'hui renforcent considérablement ces résultats antérieurs en démontrant directement, et à petite échelle correspondant aux amas de galaxies, que l'émission polarisée est en décalage avec l'intensité totale.
D'autres données sur la polarisation du fond des micro-ondes cosmiques ont été publiées il y a à peine deux semaines par l'équipe DASI, dont les trois années de résultats montrent des preuves convaincantes supplémentaires que la polarisation est bien due au fond cosmique et n'est pas contaminée par le rayonnement de la Voie lactée. Les résultats de ces deux projets frères se complètent donc à merveille, tout comme l'intention de Readhead et John Carlstrom, chercheur principal de DASI et coauteur du document CBI, lorsqu'ils ont planifié ces deux instruments il y a une décennie.
Selon Readhead, «la physique n'a pas d'explication satisfaisante pour l'énergie sombre qui domine l'univers. Ce problème représente le défi le plus sérieux pour la physique fondamentale depuis les révolutions quantique et relativiste d'il y a un siècle. Les succès de ces expériences de polarisation donnent confiance en notre capacité à sonder les détails fins du fond cosmique polarisé, qui finiront par éclairer la nature de cette énergie sombre. »
«Le succès de ces expériences de polarisation a ouvert une nouvelle fenêtre pour explorer l'univers qui pourrait nous permettre de sonder les premiers instants de l'univers à travers des observations d'ondes gravitationnelles de l'époque de l'inflation», explique Carlstrom.
L'analyse des données CBI est réalisée en collaboration avec des groupes de l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO) et de l'Institut canadien d'astrophysique théorique (CITA).
«C'est vraiment une période passionnante dans la recherche cosmologique, avec une convergence remarquable de la théorie et de l'observation, un univers plein de mystères tels que la matière noire et l'énergie sombre, et un éventail fantastique de nouvelles technologies - il y a un énorme potentiel de découvertes fondamentales ici» dit Steve Myers du NRAO, coauteur et membre clé de l'équipe CBI depuis sa création.
Selon Richard Bond, directeur du CITA et co-auteur de l'article, «En tant que théoricien au début des années 80, lorsque nous montrions pour la première fois que l'amplitude de la polarisation de fond des micro-ondes cosmiques serait probablement un facteur d'une centaine de puissance les variations de température infimes qui étaient elles-mêmes un effort héroïque à découvrir, il semblait un vœu pieux que même dans un avenir très lointain de tels signaux infimes soient révélés. Avec ces détections de polarisation, le souhait est devenu réalité, grâce à des avancées technologiques remarquables dans des expériences comme le CBI. Nous avons eu le privilège au CITA d'être pleinement engagés en tant que membres de l'équipe CBI pour dévoiler ces signaux et interpréter leur signification cosmologique pour ce qui est devenu le modèle standard de formation et d'évolution de la structure cosmique. »
La prochaine étape pour Readhead et son équipe CBI sera d'affiner ces observations de polarisation de manière significative en prenant plus de données, et de tester si l'émission polarisée est exactement en décalage avec l'intensité totale dans le but de trouver des indices sur la nature de la matière noire et de l'énergie sombre.
Le CBI est un réseau de télescopes à micro-ondes comprenant 13 antennes distinctes, chacune d'environ trois pieds de diamètre et fonctionnant dans 10 canaux de fréquence, installées de concert afin que l'ensemble des instruments agisse comme un ensemble de 780 interféromètres. Le CBI est situé à Llano de Chajnantor, un haut plateau du Chili à 16 800 pieds, ce qui en fait de loin l'instrument scientifique le plus sophistiqué jamais utilisé à des altitudes aussi élevées. Le télescope est si haut, en fait, que les membres de l'équipe scientifique doivent chacun transporter de l'oxygène en bouteille pour faire le travail.
La mise à niveau du CBI vers la capacité de polarisation a été soutenue par une généreuse subvention du Kavli Operating Institute, et le projet est également le récipiendaire reconnaissant du soutien continu de Barbara et Stanley Rawn Jr. Le CBI est également soutenu par la National Science Foundation, le California Institute of Technology et l'Institut canadien de recherches avancées, et a également reçu le généreux soutien de Maxine et Ronald Linde, Cecil et Sally Drinkward, et du Kavli Institute for Cosmological Physics de l'Université de Chicago.
En plus des scientifiques mentionnés ci-dessus, l'article de Science Express d'aujourd'hui est co-écrit par C. Contaldi et J.L.Sievers de CITA, J.K. Cartwright et S. Padin, tous deux de Caltech et de l'Université de Chicago; B. S. Mason et M. Pospieszalski du NRAO; C. Achermann, P. Altamirano, L. Bronfman, S. Casassus et J. May tous de l'Université du Chili; C. Dickinson, J. Kovac, T. J. Pearson et M. Shepherd de Caltech; W. Holzapfel de UC Berkeley; E. M. Leitch et C. Pryke de l'Université de Chicago; D. Pogosyan de l'Université de Toronto et de l'Université de l'Alberta; et R. Bustos, R. Reeves et S. Torres de l'Université de Concepción, Chili.
Source d'origine: communiqué de presse Caltech
