Planck éclaire la matière noire et détecte les neutrinos fossiles

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Planck éclaire la matière noire et détecte les neutrinos fossiles

Ce lundi 1er décembre, la collaboration Planck à laquelle contribuent des chercheurs de l’IRAP (Université Paul Sabatier de Toulouse & CNRS) dévoile les résultats des quatre années d’observation du satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA), dédié à l’étude du « rayonnement fossile » de l’univers. Pour la première fois, la plus ancienne image de notre univers est mesurée précisément selon deux paramètres – intensité et polarisation1 de la lumière – sur l’ensemble de la voûte céleste. Cette lumière primordiale laisse apparaître les traces les plus insaisissables : celles de la matière noire ainsi que des neutrinos fossiles.

De 2009 à 2013, le satellite Planck a observé le rayonnement fossile, la plus ancienne image de l’univers, encore appelé fonds diffus cosmologique. Aujourd’hui, l’analyse complète des données permet de dresser une carte dont la qualité est telle que les empreintes laissées par la matière noire et les neutrinos primordiaux sont clairement visibles.

Figure de droite : Carte de 30 par 30 degrés du signal polarisé à 353 GHz. Les couleurs tracent l’émission thermique de la poussière alors que les reliefs dessinent le champ magnétique galactique. Crédits : ESA- collaboration Planck

Déjà, en 2013 la carte des variations d’intensité lumineuse avait été dévoilée, nous renseignant sur la localisation de la matière 380 000 ans après le Big-Bang. Grâce à la mesure de la polarisation de cette lumière (pour le moment dans 4 des 7 canaux2), Planck est capable d’observer les mouvements de cette matière. Notre vision de l’univers primordial devient alors dynamique. Cette nouvelle dimension et la qualité des données permettent de tester de nombreux paramètres du modèle standard de la cosmologie. En particulier, elles éclairent aujourd’hui ce qu’il y a de plus insaisissable dans l’univers : la matière noire et les neutrinos.

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Légende : Carte de la température du rayonnement fossile d’après les données de toute la mission Planck. L’unité est l’écart à la température moyenne de 2.7255 kelvin (COBE) en millionième de degré. Aucun lissage n’a été appliqué. Crédits : ESA- collaboration Planck

De nouvelles contraintes sur la matière noire

Les résultats de la collaboration Planck permettent à présent d’écarter toute une classe de modèles de matière noire, dans lesquels l’annihilation matière noire – antimatière noire serait importante. L’annihilation entre une particule et son antiparticule3 désigne la disparition conjointe de l’une et de l’autre, qui s’accompagne d’une libération d’énergie.

L’idée de matière noire commence à être largement admise mais la nature des particules qui la composent reste inconnue. Les modèles sont nombreux en physique des particules et l’un des objectifs actuels consiste à réduire le champ des possibles en multipliant les voies d’exploration, par exemple en recherchant des effets de cette matière mystérieuse sur la matière ordinaire et la lumière. Les observations de Planck montrent qu’il n’est pas nécessaire de faire appel à l’existence d’une forte annihilation matière noire – antimatière noire pour expliquer la dynamique des débuts de l’univers. En effet, un tel mécanisme produirait une quantité d’énergie qui influerait sur l’évolution du fluide lumière-matière, en particulier aux périodes proches de l’émission du rayonnement fossile. Or, les observations les plus récentes n’en portent pas la trace.

Ces nouveaux résultats sont encore plus intéressants lorsqu’ils sont confrontés aux mesures réalisées par d’autres instruments. Les satellites Fermi et Pamela, tout comme l’expérience AMS-02 à bord de la station spatiale internationale, ont observé un excès de rayonnement cosmique, pouvant être interprété comme une conséquence de l’annihilation de matière noire. Compte tenu des résultats de Planck, il va falloir préférer une explication alternative à ces mesures d’AMS-02 ou de Fermi (par exemple l’émission de pulsars non détectés) si l’on fait l’hypothèse – raisonnable – que les propriétés de la particule de matière noire sont stables au cours du temps.

Par ailleurs, la collaboration Planck confirme que la matière noire occupe un peu plus de 26 % de l’univers actuel (valeur issue de son analyse en 2013), et précise la carte de la densité de matière quelques milliards d’années après le Big-Bang grâce aux mesures en température et en polarisation en modes B.

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Répartition des densités de chaque type de composant (matière, rayonnement, constante cosmologique) en fonction du temps

Les neutrinos des premiers instants décelés

Les nouveaux résultats de la collaboration Planck portent aussi sur un autre type de particules très élusives : les neutrinos. Ces particules élémentaires « fantômes », produites en abondance dans le Soleil par exemple, traversent notre planète pratiquement sans interaction, ce qui rend leur détection extrêmement difficile. Il n’est donc pas envisageable de détecter directement les premiers neutrinos, produits moins d’une seconde après le Big-Bang, qui sont extrêmement peu énergétiques. Pourtant, pour la première fois, Planck a détecté sans ambiguïté l’effet de ces neutrinos primordiaux sur la carte du rayonnement fossile.

Les neutrinos primordiaux décelés par Planck ont été libérés une seconde environ après le Big-Bang, lorsque l’univers était encore opaque à la lumière mais déjà transparent à ces particules qui peuvent s’échapper librement d’un milieu opaque aux photons, tel que le cœur du Soleil. 380 000 ans plus tard, lorsque la lumière du rayonnement fossile a été libérée, elle portait l’empreinte des neutrinos car les photons ont interagi gravitationnellement4 avec ces particules. Ainsi, observer les plus anciens photons a permis de vérifier les propriétés des neutrinos.

Les observations de Planck sont conformes au modèle standard de la physique des particules. Elles excluent quasiment l’existence d’une quatrième famille de neutrinos5 auparavant envisagée d’après les données finales du satellite WMAP, le prédécesseur américain de Planck. Enfin, Planck permet de fixer une limite supérieure à la somme des masses des neutrinos, qui est à présent établie à 0.23 eV (électronvolt)6.

Les données de la mission complète et les articles associés qui seront soumis à la revue Astronomy & Astrophysics(A&A) seront disponibles dès le 22 décembre 2014 sur le site de l’ESA. Ces résultats sont notamment issus des mesures faites avec l’instrument haute fréquence HFI conçu et assemblé sous la direction de l’Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) et exploité sous la direction de l’Institut d’astrophysique de Paris (CNRS/UPMC) par différents laboratoires impliquant le CEA, le CNRS et les universités, avec des financements du CNES et du CNRS.

Notes

1 La polarisation est une propriété de la lumière au même titre que la couleur ou que la direction de propagation. Cette propriété est invisible pour l’œil humain mais elle nous est familière (lunettes de soleil aux verres polarisés, lunettes 3D au cinéma, par exemple). Un photon qui se propage est associé à un champ électrique (E) et à un champ magnétique (B) tous deux orthogonaux entre eux et à la direction de propagation. Si le champ électrique reste dans un même plan, on dit que le photon est polarisé linéairement. C’est le cas pour le rayonnement fossile.

2 Dans les trois bandes de fréquence de l’instrument basse fréquence et dans le canal à 353 GHz de l’instrument haute fréquence.

3 Dans certains modèles, la particule de matière noire est sa propre anti-particule.

4 Rappelons que dans le cadre de la relativité générale, même s’ils n’ont pas de masse, les photons sont sensibles à la gravitation qui courbe l’espace-temps.

5 On dénombre dans le modèle standard de la physique des particules trois familles de neutrinos.

6 L’électronvolt, noté eV, est une unité d’énergie utilisée en physique des particules pour exprimer les masses, l’égalité E=m c2 reliant l’énergie et la masse (c désigne la vitesse de la lumière). La particule connue la plus légère après le photon et le neutrino pèse 511 keV, soit plus de 2 millions de fois plus que la somme des masses des trois neutrinos.

Ressources complémentaires

Les principaux laboratoires français impliqués dans la mission Planck

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 missionPlanck:

  • 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/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’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique (Observatoire de Paris/CNRS/ENS/Université Cergy-Pontoise/UPMC), à Paris
  • LPSC, Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Université Joseph-Fourier/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.

Contact IRAP :

Chercheurs de l’IRAP impliqués dans la mission Planck

  • D. Alina, T. Banday,J.-P. Bernard,O. Berné, K. Ferrière,I. Florès-Cacho,O. Forni, M. Giard, T. Jaffe, L. Montier, E. Pointecouteau, I. Ristorcelli, A. Sauvé

Auteur : [entrer nom prenom de l’auteur]

Date : 01/12/20142014/12/01

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