Le fond diffus cosmologique, photo de l'Univers primordial

Au cours des millénaires qui suivent le Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années, la matière de l'Univers primordial est en équilibre thermique, et baigne dans un rayonnement électromagnétique de corps noir, dont la longueur d'onde de Wien est liée à la température de la matière. Mais celle-ci est à l'époque très chaude et très dense : elle se comporte comme un plasma et les photons associés à ce rayonnement ne peuvent se déplacer que sur des distances très courtes, car ils interagissent immédiatement avec la matière : l'Univers est opaque.

Immédiatement après le Big Bang, l'Univers commence à se dilater et donc à se refroidir. Au bout de 380 000 ans, cette évolution produit le découplage du rayonnement : la température a suffisamment baissé pour que les électrons libres s'associent aux noyaux atomiques, formant des atomes. Dans ce nouvel état, la matière n'empêche plus les photons de se déplacer et le rayonnement qui existe au moment de cet événement se diffuse. Initialement, le rayonnement est celui d'un gaz chaud dont la température est de 3 000 kelvins (2 700 °C).Il se situe alors dans le spectre du proche infrarouge, mais avec l'expansion de l'Univers, son énergie diminue (effet Doppler) et, à notre époque, 13 milliards d'années après son apparition, ce rayonnement est celui d'un corps noir à la température extrêmement basse de 2,726 kelvins (−270 °C). Ce rayonnement diffus cosmologique, dont la longueur d'onde est de 3 mm, dont la fréquence de 100 GHz, se situe dans un spectre intermédiaire entre l'infrarouge lointain (10 à 100 micromètres) et les micro-ondes (ondes centimétriques).

Ce rayonnement, dit fossile, continue à nous parvenir pratiquement inchangé depuis son émission. Il constitue une photo de l'Univers, tel qu'il existait au moment où les photons ont été libérés. Les caractéristiques du rayonnement apportent des informations sur les principaux paramètres de l'Univers : son âge, sa composition, sa géométrie... Ce rayonnement n'est pas parfaitement homogène : en fonction de la direction observée, apparaissent de petites fluctuations (anisotropies) dans le spectre qui reflètent des différences de température et de densité de la matière dans l'Univers au moment de la libération des photons : selon les principales théories qui restent à confirmer, ces différences de densité sont apparues bien avant, durant l'épisode baptisé inflation cosmique qui se situe dans les premières fractions de seconde après le Big Bang. L'ordre de grandeur de ces variations est très faible (1/10 000), mais, sous l'influence notamment de la pesanteur, elles constituent les germes de la concentration de la matière dans des points privilégiés, et sont donc directement à l'origine des grandes structures de l'Univers qui apparaissent par la suite : galaxies, amas de galaxies.

Le fond diffus infrarouge

Les premières galaxies se forment à la fin des âges sombres, il y a environ 13 milliards d'années. Le rayonnement émis par ces objets puis par les générations de galaxies suivantes forme un fond diffus, c'est-à-dire que les sources ne peuvent être identifiées précisément. Le maximum d'intensité du rayonnement se situe dans l'infrarouge. Ce fond diffus a une double origine : lumière émise directement par les étoiles (fond optique) et émission des nuages de poussière à la suite de l'échauffement de ceux-ci par le rayonnement des étoiles. Son observation permet de reconstituer l'histoire de la naissance des étoiles et de la formation et de l'évolution des galaxies^[2].

L'observation du fond diffus cosmologique

Le phénomène du fond diffus cosmologique est une des conséquences de la théorie du Big Bang et son existence est prédite en 1948 par le physicien George Gamow. Il est observé accidentellement en 1964 par Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson dans le cadre de recherches sur les émissions radio de la Voie lactée. Dans les années 1980, l'agence spatiale américaine, la NASA, décide de lancer des observatoires spatiaux pour cartographier de manière précise ce rayonnement. Cosmic Background Explorer (COBE) est placé en orbite en 1992. Les données qu'il recueille confirment sans contestation possible que le rayonnement est celui d'un corps noir et permettent ainsi une validation importante de la théorie du Big Bang. L'observatoire spatial WMAP lancé en 2001 fournit des informations plus précises sur les paramètres de l'Univers primordial et permet de dresser une carte détaillée de la distribution de la matière au moment de l'émission du rayonnement.

L'architecture cryogénique

Éclaté du prototype du refroidisseur HFI de Planck.

Afin d'observer le fond diffus cosmologique dont le pic de température est de 2,725 K (soit −270,435 °C) et surtout pour dresser une carte ultra précise de ses infimes variations (±0,00001 degré), les capteurs de Planck doivent être maintenus à une température extrêmement basse. Cette contrainte constitue la principale difficulté de conception du satellite et conditionne en grande partie son architecture. Planck dispose d’un système de refroidissement à six étages (trois passifs et trois actifs) conçu pour maintenir son miroir principal d'un mètre cinquante de diamètre à 60 K (−213 °C) et les détecteurs de sa charge utile à 20 K (−253 °C), 4 K (−269 °C) et même 0,1 K (−273,05 °C) pour les bolomètres de l'instrument haute fréquence HFI. La température de 0,1 K est atteinte en laboratoire avec des appareillages trop encombrants et lourds pour répondre aux contraintes d'une mission spatiale. Il faut mettre au point de nouvelles techniques pour atteindre cet objectif.

La plate-forme avec son électronique et le panneau solaire représentent la partie chaude du satellite. La température de certains composants électroniques atteint ainsi 27 °C soit 300 K de plus que les détecteurs HFI. Les instruments et le télescope sont isolés sur le plan thermique de la plate-forme par trois ailettes superposées qui maintiennent la température en dessous de 50 K. Par ailleurs l'orientation du satellite est fixée de manière que le Soleil ne frappe jamais la charge utile.

Trois systèmes actifs assurent en cascade le refroidissement :

• une machine cryogénique fournie par le centre JPL de la NASA assure par détente d'hydrogène dans un cycle Joule-Thomson un refroidissement jusqu'à 20 kelvins. Cet étage est suffisant pour atteindre la température nécessaire à l'instrument LFI. Dans la mesure où il recycle en permanence l'hydrogène utilisé, cet équipement n'est pas à la merci d'un épuisement de celui-ci et permet à LFI de fonctionner sans limite de durée. Toutefois les capacités de « l'éponge » qui sert de compresseur se dégradent avec le temps^[11] ;
• le refroidissement à 4 K est assuré par une pompe mécanique qui refroidit par détente Joule-Thomson de l'hélium. Cet étage est fourni par le Royaume-Uni ;
• le refroidissement à 0,1 K est assuré par deux procédés mis au point dans le cadre de la mission par l'équipe de Alain Benoit de l'Institut Néel à Grenoble : la température est abaissée à 1,6 K par détente Joule-Thomson d'un mélange des isotopes hélium 3 / hélium 4, puis elle est abaissée à 0,1 K par dilution de l'hélium 3 dans l'hélium 4 en circuit ouvert avec perte du mélange qui est évacué dans l'espace. La température ainsi obtenue n'est égalée dans l'espace que par l'instrument XRS du télescope spatial à rayons X japonais Suzaku, dont la température est abaissé à 0,06 K, mais qui est victime d'une défaillance quelques semaines après sa mise en service.

Instrumentation scientifique

Le satellite embarque deux instruments : LFI (Low Frequency Instrument), de conception italienne et HFI (High Frequency Instrument) de conception française. Ces appellations reflètent les bandes de fréquences observées : de 30 à 70 gigahertz pour LFI et de 100 à 857 GHz pour HFI.

L'instrument HFI

Modèle de qualification de l'instrument HFI.

Cornet à 44 GHz de l'instrument LFI.

L'instrument HFI (High Frequency Instrument) comporte 54 bolomètres opérant dans les bandes : 100, 143, 217, 353, 545 et 857 GHz, avec une largeur de bande de l'ordre de 30 % du spectre observé. Ces bolomètres fonctionnant de manière optimale lorsqu'ils sont refroidis, opèrent vers 0,1 K (entre 90 et 130 mK). Les bolomètres étant par construction des détecteurs à très large bande, la sélection en fréquence et en largeur de bande se fait en interposant sur le chemin optique des cornets/guides d'ondes ainsi que des filtres interférentiels^[13].

La plate-forme - un développement commun pour Herschel et Planck

Un module de service (SVM) est conçu et fabriqué par Thales Alenia Space dans son usine de Turin, pour les deux satellites Herschel et Planck combinés dans un programme unique^[9]. Les structures des deux modules de service sont très semblables, de forme octogonale. Chaque panneau est destiné à des équipements thermiques, des réchauffeurs, prenant en compte les dissipations thermiques des expériences et des équipements voisins du satellite. De plus, une conception commune est retenue aussi pour les deux satellites pour l'avionique, le système de mesure et de contrôle d'attitude, le système de contrôle et de gestion des données, le sous-système de télémesure et télécommande. Tous les équipements de la plate-forme sont redondants.

Conception et réalisation

Le dimensionnement de l'instrument HFI est réalisé dès avril 1993 par Jean-Michel Lamarre, responsable scientifique de l'instrument^[15],[16].

Les tests

Planck, comme tout satellite, doit passer une série de tests. Classiquement, ceci passe par les tests des sous-ensembles, en général testés dans les laboratoires respectifs (souvent, les laboratoires contribuent en nature en fournissant un morceau de l'expérience, en retour les scientifiques du laboratoire ont un accès privilégié aux observations (données brutes)), des tests d'intégration de chacune des expériences (un satellite embarquant souvent plusieurs expériences) et des tests d'ensemble. En ce qui concerne l'expérience HFI, les tests du modèle de qualification et du modèle de vol sont menés à l'Institut d'astrophysique spatiale (IAS) en novembre 2004 et mars 2005 (qualification) et juin-juillet 2006 (calibration) respectivement. À chaque fois, pendant 3 à 4 semaines, l'expérience se fait sous vide, et refroidie dans une cuve à quelques kelvins (autour de 2,7 K). Les tests du satellite complet sont réalisés dans l'Établissement de Cannes et au Centre spatial de Liège (CSL). Ce dernier développe une configuration de tests ainsi qu'une instrumentation spécifique dans ses installations de simulation spatiale. Cette phase de tests représente pour le CSL un budget de 17,5 millions d'euros et environ 125 000 heures de travail. La première étape des tests de qualification du satellite débute en juin 2005 et s'achève en septembre. La seconde étape consiste à tester le modèle du satellite ; celle-ci s'achève au cours de l'été 2008.

Lancement et mise à poste

Les 5 points de Lagrange du système Terre-Soleil.

Le satellite (ainsi que le télescope spatial Herschel), sont lancés le 14 mai 2009 à 13 h 12 min TU, depuis Kourou, par un lanceur Ariane 5-ECA, le vol 188^[17] et placé sur une orbite très elliptique de 270 km de périgée et 1 193 622 km d'apogée le menant aux alentours du second point de Lagrange L₂ du système Soleil-Terre en environ 45 jours. La trajectoire suivie est presque parfaite et ne nécessite que des corrections mineures à l'injection sur l'orbite de transfert. Planck modifie comme prévu sa trajectoire à mi-course (Delta-v de 153,6 m/s) entre la Terre et sa destination et une dernière correction de 11,8 m/s^[18].

En orbite autour du point de Lagrange L₂

Le 3 juillet, Planck atteint le point de Lagrange L₂ et s'insère en utilisant brièvement sa propulsion (Delta-v de 58,8 m/s) sur une orbite dite de Lissajous qu'il parcourt en 6 mois et qui est choisie pour que le satellite ne se trouve jamais dans la pénombre de la Terre au moins durant 4 ans. Grâce à des manœuvres très précises Planck ne consomme que 205 kg de carburant ce qui en laisse 160 kg pour les corrections de trajectoire et les modifications d'orientation qui correspondent à un Delta-v annuel de respectivement de 1 m/s et 2,6 m/s. Le point de Lagrange L₂ est une région de l'espace autour de laquelle le satellite peut se maintenir en équilibre en dépensant peu de carburant, tout en suivant à grande distance (1,5 million de kilomètres) la Terre dans sa course autour du Soleil. C'est ainsi que durant les 30 premiers mois d'opération il n'est nécessaire de corriger la trajectoire qu'à 12 reprises en utilisant brièvement les petits moteurs-fusées du module de service. Ce type d'orbite est choisi pour que les instruments puissent atteindre la température extrêmement basse (sur une orbite située près de la Terre, il est difficile d'atteindre le 0,1 kelvin du fait des émissions thermiques de notre planète). L'axe du satellite est pointé vers le Soleil avec la base de la plate-forme tournée vers le Soleil tandis que la partie optique située à l'opposé est tournée vers l'extérieur du Système solaire. Le panneau solaire bloque le rayonnement du Soleil et l'axe du satellite ne s'écarte jamais plus de 15° de la direction du Soleil^[19],[18].

L'axe de visée du télescope fait un angle de pratiquement 85° par rapport à l'axe de rotation. Le satellite en pivotant autour de son axe de rotation à raison d'un tour par minute, permet aux instruments d'observer une bande de ciel étroite en forme de cercle. Le satellite observe à 50 reprises le même ruban de ciel puis décale légèrement l'axe pour observer une nouvelle portion du ciel. Ce décalage suit exactement la course de la Terre autour du Soleil. De cette manière, en un peu moins de 8 mois, les instruments balayent progressivement toute la sphère céleste hormis les zones polaires. Pour observer celles-ci, le satellite dépointe une fois par heure son axe de rotation de 10°^[20],[19].

Recette du satellite et mission nominale

Les systèmes de réfrigération sont progressivement mis en route après le lancement du satellite et les détecteurs de HFI atteignent leur objectif de température de 0,1 K le 3 juillet^[21]. Les opérations de calibrage et de vérification de performance se poursuivent jusqu'à fin août et se concluent avec l'assurance que les instruments fonctionnent comme prévu. La mission nominale s’achève le 27 novembre 2010 sans incident marquant et chaque région du ciel est observée au moins deux fois^[5].

Prolongement de la mission

Le 19 novembre 2010, l'Agence spatiale européenne (ESA) décide de prolonger la mission Planck d'un an en même temps que celle de plusieurs autres satellites scientifiques. Cette nouvelle phase de la mission doit permettre, par le biais d'une nouvelle méthode, d'obtenir à l'aide de l'instrument à basse fréquence (LFI) des informations complémentaires sur le rayonnement fossile. L'hélium, qui est utilisé par le système de refroidissement pour maintenir les instruments en état de fonctionner, ne doit pas s'épuiser avant début 2012^[22],[23]. Le 17 janvier 2012, l'ESA, le CNES, le CNRS et le CEA annoncent la fin de la mission pour l'instrument HFI qui épuise la réserve de liquide cryogénique. Il est éteint après trente mois de fonctionnement exemplaire et après avoir cartographié le rayonnement fossile pendant une période deux fois plus longue que prévu^[24].

L'instrument LFI, qui peut fonctionner à des températures plus élevées, poursuit la collecte des données jusqu'au 3 octobre 2013 pour fournir des données permettant d'étalonner celles de HFI. Tous les équipements de Planck sont éteints le 23 octobre 2013. Les résultats scientifiques finaux sont publiés le 10 août 2015 et mis à disposition de l'ensemble de la communauté scientifique^[25].

Données brutes

Comparaison de la résolution des cartes du fond diffus cosmologique dressées à l'aide des instruments des satellites COBE, WMAP et Planck.

• En juillet 2010, le satellite Planck envoie sa première image intégrale du ciel avec une vue particulière et inédite de la Voie lactée^[26]. Ce portrait céleste est riche de 35 millions de pixels^[27],[28].
• Le 11 janvier 2011, une conférence de presse internationale est organisée à Paris par l’Agence spatiale européenne pour présenter une première série de résultats, le satellite ayant collecté depuis 2009 une grande quantité de données sur les objets les plus froids de l'Univers : la poussière tournoyante à très grand vitesse, découverte de « gaz sombre ». Le satellite est à l’honneur cette semaine à la Cité des sciences et de l'industrie^[29].

Première interprétation des données recueillies par Planck (mars 2013)

En mars 2013, la communauté internationale de scientifiques travaillant sur les données collectées par Planck livre pour la première fois une interprétation de l'ensemble des données recueillies par HFI ainsi que celles fournies par LFI. Ces résultats se traduisent par une trentaine de communications scientifiques^[30] :

• Planck permet de dresser plusieurs cartes reconstituant l'histoire de l'Univers qui ont, comme prévu, une résolution très supérieure à celle de son prédécesseur WMAP. Outre la carte du fond diffus cosmologique, la carte du fond diffus infrarouge permet de reconstituer la lumière émise par les poussières de toutes les galaxies au cours des dix derniers milliards d'années.
• Les principaux paramètres de l'Univers primordial sont précisés. L'analyse des fluctuations du fond diffus permet d'affiner la proportion des composants actuels de l'Univers : 4,8 % de matière ordinaire (chiffre antérieur : 4,3 %), 25,8 % de matière noire (23 %) et 69,4 % d'énergie sombre (72,8 %).
• la constante de Hubble, qui détermine la vitesse d'expansion de l'Univers, est revue à la baisse. Sa valeur est désormais de 67,8 km/s par mégaparsec.
• Plusieurs prédictions associés à la théorie de l'inflation cosmique sont confirmées et contribuent à la validation du Modèle standard de la cosmologie décrivant les grandes étapes de l'histoire de l'Univers observable. La carte détaillée du fond diffus cosmologique montre ainsi que l'intensité des fluctuations de densité à grande échelle est légèrement supérieure à celle des fluctuations à petite échelle. La platitude de l'Univers est confirmée.
• Les résultats de Planck, dans la limite de leur précision, paraissent exclure certaines théories comme les variations dans le temps de la constante de structure fine (qui régit l'intensité de la force électromagnétique) et des propriétés de l'énergie sombre.
• Une première analyse de la polarisation du signal du fond diffus cosmologique montre que les valeurs sont parfaitement cohérentes avec l'intensité du signal à l'échelle des régions ayant donné naissance par la suite aux premières grandes structures de l'Univers : galaxies, amas de galaxies. Cette conclusion doit être toutefois confirmée dans le cadre d'études à paraître en 2014.
• Quelques résultats sont en désaccord avec les modèles : pour les échelles angulaires supérieures à 1°, les fluctuations du fond diffus cosmologique sont supérieures de 10 % à ce que prévoit la théorie de l'inflation cosmique. Une tache froide figurant en bas à droite sur la même carte et déjà observée par WMAP ne trouve pas d'explication.

Deuxième interprétation des données recueillies par Planck (décembre 2014)

La communauté internationale des scientifiques, travaillant sur les données recueillies par le satellite Planck, livre pour la deuxième fois les résultats encore plus précis que ceux de mars 2013. Ces résultats sont le fruit d'une observation de plus de 1 500 jours dans le domaine millimétrique, grâce à l'instrument LFI, et de plus de 1 000 jours dans le domaine submillimétrique jusqu'à l'infrarouge lointain avec, cette fois-ci, l'instrument HFI.

• les proportions des composants actuels de l'Univers sont dorénavant données avec plus de précision: 4,9 % de matière ordinaire ; 26,6 % de matière noire ; 68,6 % d'énergie sombre.

Bibliographie

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) Communauté scientifique Planck, Planck : the Scientific Programme (Blue Book), Agence spatiale européenne, 2005, 152 p. (lire en ligne)
  Contexte et objectifs scientifiques de la mission Planck (Blue Book) rédigé par la communauté scientifique Planck .
• (en) J.A. Tauber et al., « Planck pre-launch status: The Planck mission », Astronomy & Astrophysics, vol. 520,‎ 15 septembre 2010, p. 1-22 (DOI 10.1051/0004-6361/200912983, lire en ligne)
  Article de synthèse décrivant les caractéristiques techniques de la mission Planck rédigé en 2010.
• (en) P.A.R. Ade et al., « Planck 2013 results : Overview of products and scientific results », Astronomy and Astrophysics,‎ 20 mars 2013, p. 1-44 (lire en ligne)
  Synthèse des résultats publiés en mars 2013.
• Voir également Cette page du site de l'Agence spatiale européenne regroupant les principaux articles scientifiques et techniques publiés

Articles connexes

• Télescope spatial Herschel
• Fond diffus cosmologique
• Inflation cosmique
• Univers primordial
• COBE Observation spatial de la NASA prédécesseur de Planck
• WMAP Observation spatial de la NASA prédécesseur de Planck
• LiteBIRD Observation spatial de la JAXA successeur de Planck

Liens externes

• Site grand public francophone de Planck-HFI
• (en) PLANCK sur le site de l'agence spatiale européenne
• Planck sur le site du CNES
• Conférence sur Planck (juin 2013)
• Derniers résultats de Planck (17 mai 2016), François R. Bouchet
• Récapitulatif d'une conférence sur les objectifs de Planck au Festival d'Astronomie de Fleurance (2007) par Jacques Delabrouille