LES DERNIERS RÉSULTATS DE PLANCK AMÉLIORENT NOTRE CONNAISSANCE SUR LA MATIÈRE NOIRE ET LES NEUTRINOS FOSSILES
La collaboration Planck, à laquelle participent des chercheurs de l'Institut d'astrophysique de Paris, a présenté le 1er décembre à Ferrare (Italie) son analyse des quatre années d'observation du satellite Planck de l'ESA. Pour la première fois, sont dévoilées les cartes de la polarisation du rayonnement fossile sur toute la voûte céleste. Ces cartes, associées à celle des anisotropies de température, elle même améliorée dans cette nouvelle analyse, renforcent notre connaissance des premiers instants de l'Univers. Cette amélioration est telle que les chercheurs de la collaboration ont pu poser des contraintes originales sur deux des particules les plus élusives de notre modèle cosmologique, les neutrinos et la matière noire.
Les neutrinos sont des particules d'une masse incroyablement faible, qui sont produites en grande quantité dans le Soleil, ou à l'issue des phénomènes astrophysiques les plus violents comme l'explosion d'étoiles. Leur interaction avec les autres particules est cependant très faible, ce qui impose aux scientifiques de construire des détecteurs gigantesques afin de pouvoir les détecter, par exemple en équipant de détecteurs un kilomètre cube de glace au pôle Sud ! Des neutrinos sont produits en abondance moins d'une seconde après le Big Bang. Si l'on ne peut détecter directement ces neutrinos primordiaux, ceux-ci laissent une faible empreinte dans le rayonnement de fond cosmologique. Cette signature a été observée sans ambiguïté par les chercheurs de la collaboration Planck. Cette mesure est conforme aux prédictions du Modèle standard de la physique des particules. Entre autre, elle exclut la possibilité d'une quatrième famille de ces particules. Les observations de Planck permettent aussi de fixer une limite supérieure à la somme de la masse des 3 types de neutrinos qui s'établie maintenant à 0.23 eV (électronvolt), soit 2 millions de fois plus faible que la masse d'un électron !
Pour en savoir plus sur les neutrinos : http://public.planck.fr/resultats/250-resultats-planck-2014-ce-que-planck-dit-des-neutrinos
La matière noire est cette matière inconnue, postulée par les astronomes pour réconcilier les mesures de masse des galaxies ou des amas avec la faible quantité de matière visible observée (dite baryonique). L'existence de cette matière est renforcée par les mesures mêmes des anisotropies du fond cosmologique que détecte Planck, ainsi que par les mesures d'effets de lentille gravitationnelle sur les galaxies d'arrière-plan ou sur le rayonnement fossile. Expliquer les mesures de Planck sans matière noire exigerait des modifications majeures de notre modèle cosmologique. Les dernières mesures de Planck confirment les mesures de la densité de matière noire dans l'Univers, que la collaboration avait établie lors de la précédente mise à disposition des données. De même, les dernières données améliorent les cartes de distribution de la matière noire aux grandes échelles par l'addition des mesures polarisées et le raffinement de celles de température.
Mais c'est sur la nature de la matière noire que l'apport des nouveaux résultats de Planck est le plus intéressant. En effet, de nombreux modèles cherchent à décrire cette matière inconnue et il existe d'importants programmes d'observation dont le but est de caractériser les propriétés de cette matière noire. Récemment, les satellites Fermi et Pamela ainsi que l'instrument AMS-02 à bord de la station spatiale internationale, ont révélé un excès de rayons cosmiques, que les physiciens ont interprété comme une conséquence d'une forte annihilation entre particules et antiparticules de matière noire. Cette forte annihilation est prédite par une large gamme de modèles. Cependant, les derniers résultats de Planck excluent cette hypothèse. En effet, ces annihilations à l'époque de l'émission du rayonnement fossile auraient laissé une signature non ambigüe dans le rayonnement que les nouvelles données de Planck devraient permettre de détecter. Cette signature est clairement absente dans les derniers résultats de la collaboration. Il faudra donc trouver d'autres mécanismes pour expliquer les observations d'excès de rayons cosmiques.
Pour en savoir plus sur la matière noire : http://public.planck.fr/resultats/251-resultats-planck-2014-planck-eclaire-la-matiere-noire-combien-quoi-ou-
Outre ces deux importants résultats, les chercheurs ont présenté à Ferrare les principales avancées de la collaboration rendues possibles par les nouvelles données. Il ont dévoilé les meilleures contraintes sur les paramètres du Modèle standard de la cosmologie et sur les premiers instants de l'Univers. Les données de la mission Planck, ainsi que les articles associés seront disponibles fin décembre sur le site de l'ESA.
Liens
- Films « Mission Planck » :
« 2013, images de l'Univers en formation », « 2014, de nouveaux
résultats », et « Planck 2014, Voir l'invisible », réalisés par Véronique Kleiner, produits par CNRS Images.
Contraintes croisées entre le nombre effectif d'espèces de neutrinos (Neff), la vitesse d'expansion de l'Univers (Ho) et la structuration de la matière aujourd'hui (sigma8). Les points de couleurs n'utilisent que les données de température de Planck. Les contours noirs, plus resserrés y adjoignent la polarisation de Planck ainsi que des observations sur la structuration de la matière aujourd'hui. La ligne verticale à 3.046 correspond à la prédiction du modèle standard à 3 familles de neutrinos. Les lignes pointillées correspondent à 3 scenarii incluant une quatrième famille de neutrinos. © ESA - collaboration Planck
Contraintes de Planck sur l'annihilation de matière noire en fonction de la masse des particules de matière noire. Les modèles prédisant une forte annihilation (haut du graphique) associée à une masse moyenne ou faible (gauche du graphique) sont exclus, y compris les interprétations des mesures de AMS-02, Fermi et Pamela (rectangle en haut à droite). © ESA - collaboration Planck
La polarisation de quelques zones de la voûte céleste. Est présentée ici la polarisation dans le canal à 353GHz, dominé par l'émission des poussières de notre galaxie et dont le contraste polarisé est plus fort et donc plus facile à visualiser. La polarisation y est présentée sous la forme de lignes contrastées indiquant sa direction par dessus l'émission galactique. © ESA - collaboration Planck, mise en relief par Marc-Antoine Miville-Deschênes
décembre 2014