Mesure de la polarisation du fond diffus cosmologique par la collaboration ACT : une fenêtre s’ouvre sur l’Univers primordial

13 milliards d’années : c’est la durée du voyage des photons de lumière ayant terminé leur course à travers l’Univers sur les détecteurs du grand télescope ACT (pour Atacama Cosmology Telescope), perché sur les hauteurs des Andes chiliennes. Cette lumière a été émise au moment précis où l’Univers primordial, dense, chaud et opaque, s’est recomposé en devenant transparent : la lumière pouvait pour la première fois y circuler librement. Nommée fonds diffus cosmologique, elle a fait l’objet d’une caractérisation plus poussée que jamais par ACT, une collaboration internationale à laquelle le laboratoire IJCLab (CNRS / Université Paris-Saclay) a apporté une contribution majeure, en menant notamment certains aspects clés de l'analyse scientifique. Ce rare aperçu du premier âge de l’Univers, présenté en trois publications scientifiques disponibles sur le site d’ACT, soumet le modèle standard de la cosmologie à une nouvelle série de tests rigoureux, démontrant sa remarquable robustesse. 

Le fond diffus cosmologique (CMB) a été émis environ 380 000 ans après le Big Bang, lorsque les électrons et les protons se sont combinés pour former les premiers atomes neutres. Ce rayonnement, aujourd’hui observable sous forme de micro-ondes, porte l’empreinte du plasma chaud qui dominait avant la recombinaison : ses variations de densité de matière ainsi que les fluctuations de son champ de vitesse.  Autant de fluctuations ténues dans ce plasma initial qui influeront par la suite la constitution des grandes structures de l’Univers que nous connaissons. Une caractérisation précise des propriétés du CMB est donc essentielle pour calculer certaines des propriétés fondamentales de l’Univers, telles que la distribution de matière noire, son âge ou encore la vitesse de son inflation.

De Planck à ACT

Mais observer le CMB n’est pas une mince affaire : le signal nécessite des instruments d’une sensibilité exceptionnelle pour espérer mesurer non seulement son intensité mais également sa polarisation, et ce dans un maximum de directions possibles. Les instruments précédents, tels que le télescope spatial Planck, ont fourni des caractérisations précieuses, sans toutefois réussir à mesurer tous les détails de la polarisation du rayonnement. Pour atteindre cet objectif, le télescope ACT a pu s’appuyer sur un miroir de dimensions exceptionnelles (6 mètres de diamètre) et un plan focal fort de 6000 détecteurs polarisés dans toutes les directions pour atteindre une sensibilité inédite. 

« ACT a une résolution cinq fois supérieure à celle du satellite Planck et une plus grande sensibilité, déclare Sigurd Naess, chercheur à l'université d'Oslo et un des auteurs principaux des articles. Cela signifie que le faible signal de polarisation est maintenant directement visible ». 

Au-delà de sa sensibilité, le télescope ACT s’est distingué de ses concurrents par sa vaste portée d’observation : bénéficiant d’un site de détection favorable, proche de l’équateur, le télescope a pu scanner 40% du ciel, une portion singulièrement élevée pour un télescope terrestre, gage de données abondantes. 

Un portrait détaillé de l’Univers

Les nouvelles images de l'Univers primordial renseignent au premier chef sur la distribution de la matière dans l’Univers, et notamment de l’hydrogène et de l’hélium, qui forment l’essentiel de la matière baryonique (les autres éléments s’étant formés plus tard dans les étoiles). Les images d’ACT révèlent clairement les variations de la densité et de la vitesse des nuages de matière datant de 380 000 ans. Ce qui ressemble à des nuages brumeux dans l'intensité de la lumière reflète des régions plus ou moins denses dans une « mer » d'hydrogène et d'hélium - des collines et des vallées qui s'étendent sur des millions d'années-lumière. Au cours des milliards d'années qui ont suivi, la gravité a attiré les régions de gaz les plus denses pour former étoiles et galaxies.  « Nos nouvelles mesures de l’abondance de l’hélium dans l’Univers s'accordent très bien avec les observations faites dans les galaxies », explique Thibaut Louis, chercheur à IJCLab et un des principaux auteurs.

L’image de la polarisation, en outre, éclaire les scientifiques sur les mouvements détaillés de ces gaz d'hydrogène et d'hélium dans l'enfance du cosmos. « La polarisation de la lumière nous renseigne sur la dynamique du plasma primordial au moment de l’émission du fond diffus cosmologique. Jusqu’à présent, nous avions de bonnes mesures de la répartition de la matière ; nous savons désormais aussi comment elle évoluait », ajoute Louis.

La tension de Hubble 

De ces nouvelles observations, une valeur de la constante de Hubble a pu être dérivée, décrivant la vitesse à laquelle l’espace se dilate actuellement. S’inscrivant dans la lignée des précédentes mesures issues du CMB, les résultats d’ACT placent cette valeur autour de 67-68 kilomètres par seconde et par mégaparsec. « Notre mesure nous a permis de vérifier de manière indépendante le modèle standard de la cosmologie, et nos résultats le renforcent », déclare Adrien La Posta, chercheur postdoctoral à l’Université d’Oxford, qui a effectué une thèse à l’IJClab sur ce sujet.

Cette nouvelle mesure, de grande précision, s’inscrit dans un débat sur le taux d’expansion de l’Univers qui anime la communauté. La valeur dérivée du CMB (telle que celle calculée par ACT) ne correspond pas à celle issue du mouvement des galaxies proches, autour de 73-74 km/s/Mpc.

L'un des principaux objectifs de ce travail de recherche était d’enquêter sur des modèles alternatifs de l’Univers susceptibles d'expliquer ce désaccord. « Nous avons testé un grand nombre de modèles, mais aucun ne semble privilégié par rapport au modèle standard », ajoute La Posta. Une des alternatives consiste à ajouter une phase d'expansion modifiée dans l'Univers primordial, un modèle notamment développé par Vivian Poulin, chercheur au Laboratoire Univers et Particules de Montpellier. Les premières données de ACT donnaient du crédit à ce modèle. Ces nouvelles données ont inversé la tendance, sans exclure totalement cette possibilité.

Le mystère de la tension de Hubble reste donc entier. 

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ACT a achevé ses observations en 2022, et les regards se tournent désormais vers le nouveau télescope Simons Observatory, plus performant, situé au même endroit au Chili.  Les nouvelles données d'ACT sont partagées publiquement sur l'archive LAMBDA de la NASA. Le logiciel développé pour l’analyse de ces données a été rendu public au moment de la publication des résultats. « Notre analyse est entièrement reproductible, ce qui nous paraît essentiel pour garantir la transparence des résultats et permettre à la communauté scientifique de les vérifier et de les exploiter pleinement », conclut Xavier Garrido, chercheur à IJClab et maitre de conférence à l’université Paris-Saclay.