Une nouvelle analyse des observations du fond diffus cosmologique du télescope basé au pôle Sud a pratiquement exclu plusieurs modèles populaires d’inflation.
Physiciens à la recherche de signes primordiaux ondes gravitationnelles en passant au crible la première lumière du cosmos – le fond diffus cosmologique (CMB) – ont rapporté leurs découvertes : toujours rien.
Mais loin d’être un raté, les derniers résultats de l’expérience BICEP3 au pôle Sud ont resserré les limites des modèles d’inflation cosmique, un processus qui explique en théorie plusieurs caractéristiques déroutantes de notre univers et qui aurait dû produire des ondes gravitationnelles peu après la l’univers a commencé.
“Les modèles d’inflation autrefois prometteurs sont désormais exclus”, a déclaré Chao-Lin Kuo, chercheur principal du BICEP3 et physicien à l’Université de Stanford et au laboratoire national d’accélération SLAC du ministère de l’Énergie.
Les résultats ont été publiés le 4 octobre 2021 dans Lettres d’examen physique.
Le télescope BICEP3 au pôle Sud. Crédit : Collaboration BICEP/Keck
Faire exploser l’univers
L’inflation cosmique est l’idée que très tôt dans l’histoire de l’univers, la quantité d’espace dans l’univers a explosé d’environ la taille d’un hydrogène atome à environ une année-lumière de diamètre, à peu près le temps qu’il faudrait à la lumière pour parcourir un trillionième de la distance à travers le même atome.
L’inflation peut expliquer beaucoup de choses, notamment pourquoi l’univers semble être assez lisse et se ressembler dans toutes les directions, pourquoi l’espace est plat et pourquoi il n’y a pas de monopôles magnétiques. Pourtant, les physiciens n’ont pas réussi à déterminer les détails exacts, et ils ont mis au point de nombreuses façons différentes dont l’inflation aurait pu se produire.
Une façon de déterminer lequel de ces modèles inflationnistes est correct, le cas échéant, consiste à rechercher les ondes gravitationnelles qui auraient été produites lors de l’expansion de l’espace et du déplacement de la matière et de l’énergie qu’il contient. En particulier, ces ondes devraient laisser une empreinte sur la polarisation de la lumière dans le fond diffus cosmologique.
Ondes gravitationnelles polarisantes
Cette lumière polarisée a deux composants : les modes B, qui tourbillonnent dans le ciel, et les modes E, qui sont disposés en lignes plus ordonnées. Bien que les détails dépendent du modèle d’inflation correct, les ondes gravitationnelles primordiales devraient apparaître comme des modèles particuliers de modes B et E.
À partir du milieu des années 2000, les chercheurs ont commencé à étudier la polarisation en mode B dans le CMB, à la recherche de preuves d’ondes gravitationnelles primordiales. Au fil du temps, les détails des expériences ont considérablement changé, explique Zeeshan Ahmed, scientifique en chef du SLAC, qui a travaillé sur quelques incarnations de l’expérience BICEP au pôle Sud.
La première expérience BICEP a déployé environ 50 cornes métalliques usinées qui détectent de minuscules différences de rayonnement micro-ondes, chacune équipée de capteurs thermiques et de grilles polarisantes pour mesurer la polarisation. La prochaine génération, BICEP2, nécessitait un saut technologique – de nouveaux détecteurs supraconducteurs qui pourraient être plus denses dans la même zone que les télescopes précédents. Le successeur Keck Array était essentiellement plusieurs télescopes BICEP2 en un.
Pour passer au niveau supérieur, le BICEP3, « nous avons dû inventer des choses en cours de route », explique Ahmed.
Avec le soutien d’une subvention de recherche et développement dirigée par un laboratoire du SLAC, Kuo, Ahmed et d’autres scientifiques du SLAC ont développé un certain nombre de nouveaux systèmes et matériaux. Parmi ceux-ci figurent des composants de détecteurs plus modulaires et plus faciles à remplacer, ainsi que des lentilles et des filtres plus transparents aux micro-ondes tout en bloquant davantage la lumière infrarouge, ce qui aide à garder les détecteurs à micro-ondes supraconducteurs sensibles à la température au frais.
Ces avancées, selon Ahmed, combinées aux données d’expériences antérieures telles que BICEP2, Keck, WMAP et Planck, ont permis aux chercheurs de définir les limites les plus strictes à ce jour sur les types d’ondes gravitationnelles primordiales qui pourraient exister – et donc les limites les plus strictes à ce jour sur les modèles. de l’inflation cosmique.
La recherche continue
“Les expérimentateurs font un travail héroïque”, explique Eva Silverstein, physicienne théoricienne de Stanford, qui étudie l’inflation cosmique. “C’est un grand progrès.”
Les résultats excluent un certain nombre de modèles d’inflation, y compris certains anciens modèles populaires et certaines versions de modèles plus récents motivés par la théorie des cordes, explique Silverstein. Les résultats suggèrent que le modèle correct sera légèrement plus compliqué que ceux qui ont été exclus, bien qu’il existe encore un large éventail d’alternatives viables. « Ce n’est pas comme si nous retournions à la planche à dessin », dit Silverstein, mais les résultats « nous aident à nous concentrer ».
Au fur et à mesure que davantage de données arriveront de BICEP3 et de son successeur immédiat, le BICEP Array, ainsi que d’autres projets, les physiciens commenceront à obtenir des indices qui aideront à concentrer encore plus leur recherche de meilleurs modèles d’inflation. Néanmoins, selon Ahmed, ils devront peut-être attendre le CMB-S4, un projet actuellement en cours d’examen au ministère de l’Énergie, pour obtenir des réponses plus claires. CMB-S4 déploiera l’équivalent de 18 expériences BICEP3 – ou plus, selon Ahmed – et s’appuiera fortement sur les chercheurs et l’expertise du laboratoire du Département de l’énergie, y compris les idées développées pour le BICEP3. “Il faudra une décennie pour construire cette chose”, dit-il, “mais ça commence à prendre forme.”
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
Le projet BICEP est soutenu par des subventions de la National Science Foundation, de la Keck Foundation, NasaJet Propulsion Laboratory, la NASA, la Fondation Gordon et Betty Moore, la Fondation canadienne pour l’innovation, le Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni et le US Department of Energy Office of Science.
