Planck révèle l’écran de poussière polarisée devant le fond diffus cosmologique

Lundi, 22 septembre 2014

Le consortium Planck, comprenant de nombreux chercheurs et ingénieurs du CNRS, du CNES et des Universités, vient de publier une nouvelle carte dévoilant l’émission polarisée de la poussière de notre Galaxie, dans les régions du ciel les plus propices à la mesure de la polarisation du fond diffus cosmologique. Cette publication montre que la polarisation du signal d’avant-plan galactique est suffisamment importante pour masquer celle du fond diffus cosmologique, et ce sur la totalité de la voûte céleste. Ainsi, la détection des ondes gravitationnelles associées au Big Bang, par Planck ou par d’autres équipes et expériences, exigera la séparation précise des contributions cosmologiques et galactiques de la polarisation du ciel. Ces résultats sont soumis le 22 septembre dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Le satellite Planck qui a mesuré et révélé au printemps 2013 la lumière reçue de tout le ciel dans le domaine d’émission du fond diffus cosmologique, ne se contente pas de nous apprendre quelle quantité de lumière provient d’une direction donné. Il récupère également une autre information précieuse, la polarisation, qui pourrait nous permettre de sonder les premiers instants du Big Bang.

L’intensité du fond diffus cosmologique a été cartographiée avec une précision sans précédent par Planck, et aujourd’hui les chercheurs de la collaboration continuent l’analyse ultrafine des données pour mesurer la polarisation de ce rayonnement. C’est l’un des objectifs phares de la mission Planck, car cette polarisation pourrait révéler la présence d’ondes gravitationnelles primordiales générées aux premiers instants du Big Bang. Une détection de ces ondes permettrait de valider l’explication proposée par les théoriciens pour rendre compte de l’uniformité du fond diffus cosmologique. Cela permettrait de valider aussi l’existence d’une phase dite d’inflation où l’expansion de l’Univers a été exponentielle et d’avoir une meilleure idée de l’énergie à laquelle s’est produite cette inflation. Le défi est à la mesure de l’enjeu, car le signal attendu est à la fois très faible et mêlé à l’émission de notre propre galaxie, la Voie Lactée et nécessite une  compréhension très poussée de tous les effets instrumentaux..

L'émission de la poussière (des particules de tailles sub-microniques) présente dans l’espace interstellaire de notre galaxie est le principal signal polarisé du ciel dans le domaine de fréquences le plus propice à cette recherche. La polarisation de son émission provient de l’alignement des grains de poussière par rapport au champ magnétique de notre galaxie.

Les données de Planck ont permis de caractériser statistiquement la composante polarisée de cette émission sur le ciel et d’en dresser la carte. À partir de ces données, on déduit l’amplitude de la polarisation galactique, celle-là même qui peut mimer, dans les analyses, le signal cosmologique. Cette carte est construite en extrapolant le signal polarisé mesuré à 353 GHz. À cette fréquence, le signal de la poussière galactique est le plus fort et la part du fond diffus cosmologique négligeable, on obtient ainsi un signal « purement » galactique. Les données Planck ont également été utilisées pour caractériser la dépendance du signal galactique en fonction de la fréquence d’observation, c’est cela qui a permis d’extrapoler les mesures faites à 353 GHz vers les fréquences d’observation du fond diffus cosmologique (800GHz) et de construire la carte d’amplitude de la polarisation galactiques à cette fréquence.

Ce résultat montre que la polarisation galactique ne peut être négligée nulle part sur le ciel, par rapport au signal que les cosmologistes cherchent. La situation se complique donc par rapport aux annonces, probablement prématurées de la collaboration BICEP2, de la découverte des ondes gravitationnelles primordiales en mars dernier.


Carte de l’estimation du signal galactique en unité de signal cosmologique Plus les zones sont bleues, mois le fond diffus cosmologique est masqué. Le vert correspond à une amplitude du signal galactique de l’ordre du signal détecté par BICEP2 qui a étudié la partie du ciel indiquée par le contour noir. © ESA – collaboration Planck

Note(s): 

Rappels sur la mission Planck

Lancé en 2009, Planck, le satellite de l’Agence spatiale européenne (ESA) a observé l’ensemble de la voûte céleste dans neuf bandes de fréquence dans le domaine submillimétrique et micro-onde, entre l’infrarouge lointain et la radio. L’analyse des données de l’instrument haute fréquence HFI est la source des résultats qui viennent d’être publiés. Cet instrument HFI, conçu et assemblé sous la direction de l’Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) avec un financement du CNES et du CNRS a pris des données scientifiques du 13 août 2009 au 14 février 2012.

La contribution de la recherche française dans la mission Planck

La France est leader de l’instrument haute fréquence Planck-HFI dont les données sont essentielles pour les résultats cosmologiques mais également pour de nombreux résultats galactiques et extragalactiques. Sa construction a coûté 140 millions d’euros et mobilisé 80 chercheurs de dix laboratoires du CNRS, du CEA et d’Universités. La France a assuré plus de 50% du financement de cette construction ainsi que celui du traitement de ses données : ce financement provient pour moitié du CNES, pour moitié du CNRS et des Universités. Le CNES contribue également au financement de la mission elle-même via sa contribution financière au programme scientifique obligatoire de l’ESA, soit 15% du coût de la mission.

L'exploitation des résultats scientifiques est majoritairement assurée par le CNRS, avec notamment Jean-Loup Puget (de l’IAS), « Principal Investigator », et François Bouchet (de l’IAP), « Co-Principal Investigator ».

Les laboratoires français suivants ont été impliqués dans la construction puis dans l’analyse des données de l’instrument HFI (des mesures brutes aux cartes par fréquence), ainsi que dans l’interprétation astrophysique et cosmologique de l’ensemble des données de la mission Planck :

-    APC, AstroParticule et Cosmologie (Université Paris Diderot/CNRS/CEA/Observatoire de Paris), à Paris.
-    IAP, Institut d'Astrophysique de Paris (CNRS/UPMC), à Paris.
-    IAS, Institut d'Astrophysique Spatiale (Université Paris-Sud/CNRS), à Orsay.
-    Institut Néel (CNRS), à Grenoble.
-    IPAG, Institut de Planétologie et d'Astrophysique de l’Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier), à Grenoble.
-    IRAP, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie de l’Observatoire Midi-Pyrénées (Université Paul Sabatier Toulouse III/CNRS), à Toulouse.
-    CEA-IRFU, Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers du CEA, à Saclay.
-    LAL, Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (CNRS/Université Paris-Sud,), à Orsay.
-    LERMA, Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (Observatoire de Paris, CNRS, ENS Paris, Université Cergy Pontoise, UPMC), à Paris.
-    LPSC, Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (Université Joseph-Fourier Grenoble 1, CNRS, Grenoble INP), à Grenoble.
-    CC-IN2P3 du CNRS, Centre de Calcul de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS.

Source(s): 

Contact chercheur :

  • Jonathan Aumont  l  01 69 85 85 41  l  jonathan [dot] aumont [at] ias [dot] u-psud [dot] fr
  • François Boulanger  I  françois [dot] boulanger [at] ias [dot] u-psud [dot] fr
  • Jean-loup Puget  l  jean-loup [dot] puget [at] ias [dot] u-psud [dot] fr

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