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  • Première Détection de Traces d’Ondes Gravitationnelles du Big Bang sur le Fond Diffus Cosmologique

    Posté le 17 mars 2014

    Big_BangC’est cet après-midi que l’équipe de BICEP2 du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics a annoncé cette découverte spectaculaire.

    L’expérience BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2), située au Pôle Sud, a annoncé avoir détecté des signes d’ondes gravitationnelles sur le rayonnement fossile de l’Univers (le fond diffus cosmologique, ou CMB). C’est la première preuve directe de la théorie de l’inflation cosmique et c’est la première fois que les données confirment une connexion profonde entre la mécanique quantique et la relativité générale.

    Pour faire cette découverte, le télescope BICEP2 a observé les fluctuations du rayonnement micro-onde du fond diffus cosmologique (CMB).

    Histoire-de-l-Univers-BICEP2
    Le plus loin que l’on puisse voir dans l’Univers, c’est le fond diffus cosmologique, la première lumière qui est apparue 380 000 ans après le Big Bang. Les ondes gravitationnelles qui ont été produites beaucoup plus tôt, au moment du Big Bang, sont les plus anciennes reliques de notre Univers.

    Le rayonnement micro-onde est une forme de lumière. Il présente donc toutes les propriétés de la lumière, y compris la polarisation. Sur Terre, la lumière du Soleil est dispersée par l’atmosphère et devient polarisée (orientée dans une certaine direction), c’est pourquoi les lunettes de Soleil polarisées permettent de réduire l’éblouissement : la lumière qui vient du sol est typiquement polarisée horizontalement et les lunettes de soleil bloquent les ondes lumineuses ayant cette orientation. Dans l’Espace, le fond diffus cosmologique a été dispersé par les atomes et les électrons, et a été également polarisée.

    La seule manière d’être sûr que l’on avait affaire à des ondes gravitationnelles dans le fond diffus cosmologique était d’observer la polarisation de la lumière. Une certaine orientation des oscillations de cette lumière représente la preuve qu’il s’agit bien d’un effet dû aux ondes gravitationnelles provenant de l’expansion extrêmement rapide (une fraction de seconde) et exponentielle de notre Univers qui s’est produite 10-38 secondes après le Big Bang.

    La clé pour détecter les ondes gravitationnelles provenant de l’inflation est le fait que les mouvements du plasma provoqué par les ondes ont produit un type de polarisation différent que celui provoqué par les inhomogénéités (qui ont produit les variations de température).

    Polarisation-motifsLes variations de densité dans le plasma primordial provoquent des motifs de polarisation en forme d’anneaux ou en étoiles. Les ondes gravitationnelles, quant à elles, produisent des tourbillons orientés gauche ou droite.

    L’équipe de BICEP2 a cherché un type spécial de polarisation appelé « mode B », qui représente une torsion ou un motif en boucle dans les orientations polarisées du fond diffus cosmologique.

    Les ondes gravitationnelles sont compressées lors de leur déplacement dans l’Espace. Cette compression produit un motif distinct sur le fond diffus cosmologique. Tout comme les ondes lumineuses, les ondes gravitationnelles ont également une « chiralité » (préférence gauche ou droite) et peuvent avoir des polarisations droitières ou gauchères.

    BICEP2-CMB-Polarisation_Mode_B
    Les inhomogénéités dans le plasma primordial n’auraient pas pu produire de tels motifs de polarisation car les régions de plasma dense et raréfié n’ont pas d’orientation gauche ou droite.

    « Le motif tourbillonnant en mode B est une signature unique des ondes gravitationnelles en raison de leur chiralité », explique Chao-Lin Kuo, professeur assistant de physique à l’Université de Stanford et au SLAC, et co-leader de la collaboration BICEP2.

    Les chercheurs ont été surpris de détecter un signal de polarisation en mode B beaucoup plus fort que ce à quoi de nombreux cosmologistes s’attendaient. L’équipe a analysé les données pendant plus de 3 ans afin d’éliminer toute erreur. Ils ont également regardé si la poussière dans notre galaxie pouvait produire le motif observé, mais les données suggèrent que c’est hautement improbable.

    « Ca a été un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin, mais, au lieu de trouver une aiguille on a trouvé un pied de biche », a déclaré avec humour Clem Pryke, co-leader de BICEP2 et professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’Université du Minnessota.

    Ci-dessous, une vidéo qui montre le professeur Chao-Lin Kuo annoncer la bonne nouvelle au professeur Andrei Linde.

    Le physicien Alan Guth a officiellement proposé la théorie de l’inflation cosmique en 1980, lorsqu’il était chercheur post-doctoral au SLAC, comme modification de la théorie conventionnelle du Big Bang. Cette théorie a tout de suite attiré l’attention car elle pouvait fournir une solution unique à de nombreux problèmes posés par la théorie standard du Big Bang. Cependant, Guth réalisa immédiatement que certaines prédictions de son scénario contredisait les données d’observation.

    Au début des années 1980, le physicien russe Andrei Linde modifia le modèle en un concept appelé « nouvelle inflation » puis « inflation chaotique éternelle » qui correspondaient de près aux observations. Linde, maintenant professeur de physique à Stanford, ne pouvait pas cacher son excitation concernant cette nouvelle qui est une preuve directe de l’inflation cosmique : « Ces résultats sont une preuve irréfutable de l’inflation, parce que les théories alternatives ne prévoient pas un tel signal ». « C’est quelque chose que j’ai espéré voir pendant 30 ans ».


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