Derniers résultats des mesures du rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques

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BICEP3 Telescope
Télescope BICEP3

Le télescope BICEP3 situé à la station Amundsen-Scott au pôle Sud en Antarctique. (La jupe métallique autour du télescope le protège de la lumière réfléchie par la glace environnante.) De nouveaux résultats analysant les données BICEP3 ainsi que les données antérieures et les ensembles de données des missions spatiales ont amélioré les contraintes précédentes sur les types de modèles d’inflation qui pourraient décrire les premiers instants de l’univers. Crédit : Steffen Richter

L’univers a été créé il y a environ 13,8 milliards d’années dans un éclat de lumière : le big bang. Environ 380 000 ans plus tard, après que la matière (principalement l’hydrogène) se soit suffisamment refroidie pour que des atomes neutres se forment, la lumière a pu traverser l’espace librement. Cette lumière, le rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB), nous parvient uniformément de toutes les directions du ciel… du moins c’est ce qu’il a semblé à première vue. Au cours des dernières décennies, les astronomes ont découvert que le rayonnement a de faibles ondulations et bosses à un niveau de luminosité de seulement une partie sur cent mille – les graines pour les futures structures, comme les galaxies.

Les astronomes ont conjecturé que ces ondulations contiennent également des traces d’une explosion initiale d’expansion – la soi-disant inflation – qui a gonflé le nouvel univers de trente-trois ordres de grandeur en seulement dix à la puissance moins-33 secondes. Les indices sur l’inflation devraient être faiblement présents dans la façon dont les ondulations cosmiques sont bouclées, un effet dû à ondes gravitationnelles dans l’enfance cosmique qui devrait être peut-être cent fois ou plus faible que les ondulations elles-mêmes.

L’effet de curling produit des motifs dans la lumière connus sous le nom de « polarisation en mode B », et il devrait être extrêmement faible. D’autres processus exotiques sont à l’œuvre dans l’univers pour rendre cette mesure intimidante encore plus difficile. La principale est la faible lueur de la lumière des particules de poussière de notre galaxie qui ont été alignées par des champs magnétiques. Cette lumière est également polarisée et peut être déformée par des champs magnétiques pour produire des motifs de polarisation en mode B. Les ondes radio de notre galaxie peuvent produire des effets similaires. Il y a environ six ans, CfA les astronomes travaillant au pôle Sud ont signalé la première preuve d’un tel curling, la « polarisation en mode B », à des niveaux compatibles avec des modèles simples d’inflation, mais des mesures ultérieures à différentes fréquences (ou couleurs) de lumière micro-ondes ont révélé que le signal s’expliquait par poussière galactique.

Au cours des années qui ont suivi ces premières mesures de polarisation en mode B, les astronomes ont poursuivi leurs observations méticuleuses, ajoutant des données puissantes provenant de nouveaux télescopes à de nombreuses fréquences différentes fonctionnant au pôle Sud. CfA astronomes D. Barkats, H. Boenish, J. Connors, J. Cornelison, M. Dierickx, M. Eiben, DC Goldfinger, P. Grimes, S. Harrison, KS Karkare, JM Kovac, B. Racine, S. Richter , BL Schmitt, T. St. Germaine, C. Verges, CL Wong, L. Zeng et une grande équipe de collègues viennent de terminer une analyse de toutes les données des expériences au pôle Sud BICEP2, Keck Array et BICEP3 jusqu’en 2018, et corréler les résultats avec les résultats des missions spatiales CMB Planck et WMAP. (Bien que la collecte de données pour ces missions se soit terminée en 2013 et 2010, respectivement, le traitement des données se poursuit et les scientifiques ont utilisé la version 2018.) Les nouveaux résultats améliorent les meilleures contraintes précédentes sur le curling d’environ un facteur de deux, et fournissent désormais des conseils puissants sur les types de modèles d’inflation qui pourraient décrire les premiers instants de l’univers.

Une large classe de modèles simples est désormais largement exclue. L’équipe rapporte que les plus favorisés de la classe de modèles restants prédisent des ondes gravitationnelles primordiales à des niveaux qui devraient être détectés (ou exclus) au cours de la prochaine décennie avec des télescopes améliorés au pôle Sud. L’équipe est déjà en train de mettre à niveau le système BICEP et espère gagner un autre facteur d’environ trois améliorations d’ici cinq ans, suffisamment pour imposer des contraintes strictes aux modèles inflationnistes.

Référence : « Amélioration des contraintes sur les ondes gravitationnelles primordiales en utilisant Planck, WMAP et BICEP/Keck Observations through the 2018 Observing Season » par P. A. R. Ade et al. (Collaboration BICEP/Keck), 4 octobre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.151301

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