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La première carte de l’Univers

Guy Duplat

Mis en ligne le 31/07/2010

Le satellite Planck a livré sa première carte intégrale de l’univers. Fin 2012, cette carte étudiée et “nettoyée”, devrait livrer de nouveaux secrets sur la naissance de notre univers et le Big bang.

Le satellite européen Planck devrait nous offrir la photo la plus précise jamais vue de l’univers peu après le Big bang. Le 5 juillet dernier, l’ESA (Agence spatiale européenne) a dévoilé la première carte intégrale du ciel réalisée par Planck, placé sur une orbite à 1,5 million de kilomètres de la terre. Durant neuf mois, il a scanné systématiquement tout l’univers, dans le domaine des micro-ondes, avec un télescope refroidi tout près du zéro absolu, pour parvenir à dresser cette carte. Il entreprendra encore deux cartes semblables avant l’issue de sa mission, fin 2012. Par ces images, on espère voir tous les détails de l’univers, 380000 ans seulement après le Big bang. L’image que Planck doit offrir sera 50 fois plus précise que toutes les images semblables prises jusqu’ici, par les satellites américains Cobe et Wmap. Avec Planck, l’Europe prend la tête dans la course à la carte de l’univers.

Cette première image (notre photo) est émouvante et superbe, même si elle doit encore être "nettoyée". En effet, la grande ligne centrale est la trace de notre galaxie (la Voix lactée) et les grands nuages filandreux qui semblent s’en échapper proviennent du gaz et des poussières du milieu interstellaire. Il faudra donc patiemment, de manière numérique, enlever ces images d’avant-plan, pour n’avoir plus que la photo du rayonnement fossile, qui est l’image exacte de l’univers après le Big bang. On pourra alors, comme jamais auparavant, analyser les "grumeaux" dans la soupe de l’univers à ses débuts. La résolution exceptionnelle du télescope de Planck, de l’ordre d’un cent millième, pour les différences dans les amplitudes des fluctuations, montreront même les très légères anisotropies de températures et de polarisation dans la "soupe initiale". Une vraie mine d’or pour les astrophysiciens et cosmologistes qui, en les étudiant, peuvent obtenir des informations capitales ou des preuves, sur la mystérieuse énergie noire qui remplit l’univers, sur la forme de l’univers, sur l’origine toujours mystérieuse de nos galaxies et sur l’inflation, ce phénomène extrêmement violent et bref des touts débuts de l’univers quand celui-ci a gonflé à une vitesse supérieure à celle de la lumière !

Encore un peu de patience donc avant de découvrir cela, sans doute en décembre 2012. Mais Planck a déjà démontré, en ce début juillet, que tous les espoirs mis en lui étaient justifiés et qu’il fonctionnait parfaitement.

Rappelons que le rayonnement de fond cosmologique, vestige de la première lumière échappée dans l’univers quelque 380000 ans après le big bang, peut dévoiler le passé et le destin de l’univers. Deux satellites, Cobe et puis Wmap, ont déjà pris la photo du monde tel qu’il était 380000 ans à peine après le Big bang. Planck doit le faire cette fois avec une résolution, une analyse des détails, 50 fois plus forte. Cette photo, c’est comme si un homme de 80 ans découvrait une image de lui, prise le jour même de sa naissance. Parmi les résultats les plus spectaculaires déduits de ces données, il y a l’âge de l’univers fixé dorénavant à 13,7 milliards d’années. Plus étonnante est sans doute la confirmation que toute la matière que l’on connaît (vous, moi, les maisons, les arbres, les étoiles, les galaxies) ne forme à peine que 4,4 % de la matière de l’univers. Il y a à côté de cela 22 % de matière noire dont on traque activement les traces et 73 % d’une mystérieuse énergie noire qui aurait la curieuse propriété d’être antigravitationnelle et d’être responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers qu’on a constatée. L’univers loin de s’essouffler dans son expansion infinie, semble accélérer le mouvement sous l’emprise de cette énergie noire.

Pour mieux comprendre ce portrait de l’univers, il faut partir de la théorie du Big bang, lancée il y a plus de 70 ans par le Belge Georges Lemaître et reprise par le physicien Gamov. L’univers serait né d’une singularité surgie du vide quantique. Dans les premières millisecondes, la température et la densité furent gigantesques. Les photons, les grains de lumière créés dans cette "soupe primitive", restaient piégés par la matière. Les photons étaient sans cesse repris par la matière. Mais 380 000 ans après le Big bang, la taille de l’univers était devenue telle que le monde devenait transparent et que brusquement, les photons pouvaient s’échapper de la matière. Ce "flash initial" est toujours visible aujourd’hui sous forme du "fond diffus cosmologique". Celui-ci est en quelque sorte l’empreinte de l’univers après le Big bang.

En 1965, Arno Penzias et Robert Wilson découvraient dans le ciel les traces de ce fonds diffus. Ce rayonnement apparaît sous forme de micro-ondes, équivalentes à une température de 2,73 °K au-dessus du zéro absolu. Après la découverte par Hubble de la fuite des galaxies les unes par rapport aux autres (le décalage vers le rouge des raies d’émission), c’était une seconde preuve extraordinaire de la théorie du Big bang. Ces premières images du "flash initial" montraient une très grande homogénéité du rayonnement. Partout dans l’univers, on observait le même "bruit de fond". Comme si l’univers, à sa naissance, était parfaitement homogène, comme un cake gonflant à feu doux. Mais alors, comment expliquer que des galaxies se soient formées ? Comment expliquer que l’univers ne soit pas homogène mais furieusement hétérogène ?

Le satellite Cobe a repris des mesures plus précises et a vu que le rayonnement n’était pas homogène mais était marqué par de légères anisotropies : il y a des grumeaux dans la soupe initiale. Les images de Cobe et Wmap ont ainsi montré que les premières étoiles se seraient allumées déjà 200 millions d’années après le Big bang, soit bien plus tôt qu’on ne le croyait. En analysant les données de ces photos, les chercheurs ont d’abord pu démontrer que l’univers était plat. Il n’est pas recourbé. Le rayonnement qui nous parvient n’est pas déformé par une courbure. Le résultat n’était pas évident puisqu’un univers plat n’est qu’une solution très particulière des équations d’Einstein. Pour que l’univers soit plat déjà à 380000 ans, il a dû connaître dans les premières millisecondes de son existence, une formidable expansion, à une vitesse bien supérieure à celle de la lumière. Cette phase hyper rapide de croissance est appelée l’inflation. Et c’est elle, qui crée les irrégularités qu’on décèle, les hétérogénéités qui donneront naissance aux amas de galaxies et aux galaxies. Cobe et consorts posent de nouveaux mystères : que sont ces mystérieuses particules qui forment la matière noire ? Qu’est cette énergie noire responsable de l’expansion accélérée de l’univers ? La satellite Planck, en analysant plus en détails cette carte initiale du Big bang, peut aider à comprendre la croissance de cet enfant dont nous sommes issus.