Big Bang et univers : Planck confirme le modèle cosmologique standard

Les analyses définitives des données obtenues par le satellite Planck, appelées « données héritage », viennent d’être rendues publiques. Issues de l’étude du rayonnement fossile par les membres de la collaboration Planck, elles soutiennent très fortement le modèle de la cosmologie standard et la théorie du Big Bang. Quelques légères anomalies persistent cependant et elles pourraient nécessiter l’introduction d’une nouvelle physique, qui ne changerait de toute façon que de façon marginale ce modèle, d’après les cosmologistes.

Si Georges Lemaître, Georges Gamow et l’injustement oublié Ralph Alpher étaient encore avec nous aujourd’hui, ils n’auraient aucune raison de changer les grandes lignes de la théorie du Big Bang qu’ils ont avancée au cours de la première moitié du XXe siècle en parcourant les résultats finaux en 2018 de l’analyse des données du satellite de la mission Planck. Ils viennent d’être publiés sur le site de l’ESA mais on peut aussi les consulter sur arXiv.

L’abbé Lemaître, surtout, aurait des raisons d’être particulièrement fier car comme le rappelle Jean-Pierre Luminet, le jésuite belge avait compris bien des choses avant tout le monde, ayant notamment pressenti l’existence de l’énergie noire et ce qui allait devenir la cosmologie quantique, où Stephen Hawking allait s’illustrer en plus de ses travaux sur les trous noirs.

Rappelons toutefois que par théorie du Big Bang, les astrophysiciens et cosmologistes modernes entendent une théorie basée sur la relativité générale et l’astrophysique nucléaire, dans des régimes bien testés en laboratoire et par les observations dans le Système solaire. Ce qui implique que l’univers observable était beaucoup plus chaud, beaucoup plus dense et sans atomes ni étoiles ni galaxies il y a entre 10 et 20 milliards d’années, pour être large.

Inflation Big Bang

Il n’est donc pas question de l’existence d’un instant initial qui peut ou ne pas avoir existé ni du fait que tout l’univers, ou pas, est en expansion. Celui-ci pouvant être fini ou infini depuis un temps antérieur au Big Bang proprement dit. L’idée que la phase actuelle d’expansion du cosmos observable soit en fait précédée par une phase de contraction suivie d’un rebond, ou que ce cosmos lui-même soit éternel et infini, s’étant temporairement effondré gravitationnellement localement ou en entier, ne remet donc pas du tout en cause la théorie du Big Bang et ne change pas dans les grandes lignes celle proposée par Lemaître et Gamow.

La mission Planck a consisté à étudier comme jamais le fameux rayonnement fossile dont le spectre est quasiment celui d’un corps noir parfait, à l’exception de toutes petites fluctuations de température qui, comme l’explique la vidéo ci-dessous, reviennent à ajouter l’épaisseur d’un cheveu à la hauteur de la tour Eiffel.

Des caractéristiques de ce rayonnement, on peut déduire beaucoup d’informations sur le contenu de l’univers observable et poser des contraintes sur sa forme et son évolution. Sa courbure spatiale est-elle nulle comme celle d’un plan ou négative comme celle d’une selle ? Sa topologie est-elle simple, comme une sphère ou multiplement connexe comme celle d’un tore, voire d’un bretzel ? Contient-il de la matière noire ou de l’énergie noire ? Est-il en rotation ? Quand les premières étoiles se sont-elles allumées et quel est l’âge de l’univers observable, c’est-à-dire en fait le temps écoulé depuis la fin du Big Bang quand les réactions nucléaires produisant les premiers noyaux se sont arrêtées ? Une phase d’inflation, une expansion vertigineusement rapide de l’espace ayant créé la matière quand elle a pris fin s’est-elle déroulée dans le cosmos très primordial ?

Toutefois, l’analyse des caractéristiques de ce rayonnement est compliquée car, comme nous l’avait expliqué une des membres de la collaboration Planck, l’astrophysicienne Laurence Perotto, il y a des signaux parasites, des avant-plans comme disent les chercheurs, qu’il faut évaluer et retirer du signal observé par le satellite Planck pour remonter aux informations recherchées. Tout cela prend du temps et nécessite aussi de faire de nombreuses vérifications et tests pour traquer d’éventuels biais. Au cours des dernières années, les membres de la collaboration Planck avaient donc publié des résultats partiels au fur et à mesure des données qui étaient à leur disposition et des progrès dans leur analyse. Les résultats définitifs viennent donc d’être publiés et ils ne sont pas significativement différents de ceux déjà rendus publics, en 2013 et 2015.

Par contre, ils consolident encore plus le modèle standard en cosmologie, c’est-à-dire celui décrit par les fameuses équations déduites des équations de la relativité générale via une métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), en l’occurrence celle d’un espace-temps de géométrie homogène, sans anisotropie ni rotation mesurable et sans courbure spatiale à la précision des mesures là aussi. Il contiendrait bien de la matière noire, qui ne semble pas pouvoir être formée de neutrinos stériles et posséderait une vraie constante cosmologique dont la nature reste là aussi inconnue. Si les données de Planck sont toujours favorables à l’existence d’une phase d’inflation et permettent de faire le tri entre les différentes théories proposées pour la produire (certaines des plus simples restent en lice), il n’y a toujours pas de détection des fameux modes B de la polarisation du rayonnement fossile spécifique à l’inflation et qui en serait une preuve très convaincante.

C’est spécifiquement la recherche et l’estimation de la polarisation de ce rayonnement (il y a plusieurs modes et plusieurs contributions possibles à ces modes) qui avait besoin d’être poursuivie et affermie depuis 2015, comme l’explique le communiqué de la collaboration sur le site de Planck HFI. Les chercheurs sont tout de même arrivés à un résultat spectaculaire.

C’est un secret de polichinelle qu’il se produit parfois ce que l’on appelle des dégénérescences entre les modèles théoriques pour un phénomène. On entend par là que pour un jeu de mesures données, il est possible d’ajuster les paramètres de plusieurs théories de diverses façons pour rendre compte également de ces mesures. Toutefois, quand les mesures sont plus nombreuses, plus précises, ou concernent plusieurs phénomènes expliqués par une même théorie, il est possible de lever la dégénérescence comme on dit pour ne plus laisser, idéalement, qu’une seule théorie en lice. On peut aussi estimer à quel point une théorie colle mieux aux observations qu’une autre avec des techniques issues de la théorie mathématique des statistiques et des probabilités.

Ainsi, on a souvent combiné des mesures venant surtout des supernovae, du rayonnement fossile ou de la répartition des amas de galaxies en rapport avec ce que l’on appelle les oscillations acoustiques des baryons (BAO, pour baryon acoustic oscillations, en anglais) pour tenter de préciser le contenu et la géométrie de l’univers observable. Or, il se trouve qu’avec les seules observations de Planck concernant les fluctuations de température du rayonnement fossile ou ses fluctuations dans sa polarisation, il est possible depuis peu de sélectionner avec un degré de confiance important un modèle cosmologique avec un contenu en matière et énergie noires précis notamment. Les deux techniques donnent le même résultat ce qui n’est vraiment pas trivial et on l’obtient aussi avec les données ne venant pas du rayonnement fossile. Autant dire, que quand ça a la couleur de l’alcool, l’odeur de l’alcool et la composition chimique de l’alcool, il ne devient pas du tout rationnel de douter que l’on est bien en présence d’alcool.

Malgré tout, les données de Planck sont toujours un peu en tension avec les données des supernovae SN Ia, en particulier quand il s’agit de déterminer la valeur de la constante de Hubble et donc la vitesse d’expansion de l’univers et la nature de l’hypothétique énergie noire.

Les deux déterminations diffèrent d’environ 7 % alors que les incertitudes des deux méthodes sont estimées à 1 ou 2 %. Visiblement quelque chose cloche même s’il ne faut pas s’attendre à une révolution future de notre modèle cosmologique standard que l’on continue à appeler un modèle de concordance, étant donné justement l’accord entre les diverses mesures concernant ses caractéristiques. De la nouvelle physique est donc peut-être cachée quelque part à moins que ce ne soit une erreur pas facile à déceler mais bien réelle dans les mesures, comme ce fut le cas avec l’affaire des neutrinos transluminiques.

Cette prudence à avoir quant à la nécessité d’avoir recours à de la nouvelle physique est bien exprimé par l’un des leaders de la mission Planck, François Bouchet, de l’Institut d’astrophysique de Paris : « Il est très difficile d’altérer le modèle standard en y ajoutant de la physique nouvelle, tout en maintenant la description ultra-précise de tout le reste que le modèle décrit si bien. »

Une déclaration à laquelle fait écho celle de Jan Tauber, « Project Scientist » de la mission Planck à l’ESA : « Pour le moment, il faut raison garder en ce qui concerne la découverte potentielle d’une physique nouvelle : il se pourrait très bien que cette différence relativement faible s’explique par l’effet combiné de petites imprécisions dans les mesures et d’un effet local. Mais il faut continuer à améliorer nos mesures et imaginer de meilleures façons de l’expliquer. »

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, la page Astronomie/Physique.

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