Sous le ciel de Planck

parapluie

Jaloux de mon parapluie ? Je vous comprends !!! Édité à 700 exemplaires pour la conférence des premiers résultats de Planck en 2011, plus un seul n’est disponible dans le monde entier. Il nous rappelle joliment que nous sommes un tout petit observateur immergé dans l’univers.

Il pourrait, aussi, protéger de la pluie mais c’est très accessoire – et le mien ne verra jamais le ciel,  le vent risquerait de me le voler …

La déferlante BICEP2

Impossible d’y échapper, le sujet s’impose.

La nouvelle

Lundi matin (le 17 mars), on reçoit un mail d’un collègue de Planck avec le lien pour suivre la conférence de presse annonçant la présentation scientifique et la conférence de presse de BICEP2. Que dit la rumeur ? Le week-end, sur les réseaux, un “r=0.2” circulait, mais ça, on n’y croit pas !!!

Nous sommes à l’affut

On réserve une salle pour suivre ensemble la présentation, tout le groupe Planck et quelques autres cosmologistes sont là et il n’est pas encore 15h45 quand nous essayons de nous connecter. Ca ne marche pas. On re-essaie, un nouveau mail avec un autre lien arrive, ça ne marche toujours pas : visiblement ils sont victimes de leur succès. Ce n’est pas bien grave, ils ont effectivement mis en ligne, en parallèle, leurs articles.

Alors, qu’ont-ils trouvé ??

Que dit l’abstract, le résumé présent au début de chaque article ? Une détection à plus de 5 sigma (soit moins d’une chance sur un million environ que ce soit du hasard, c’est le seuil usuel pour considérer que l’on a une détection fiable). Ah quand même … Oui c’est mais peut-être un signal des avant-plans galactiques ? “r=0.2” est écrit, il signifie que l’amplitude du signal  laissé sur le rayonnement fossile par les ondes gravitationnelles primordiales serait vraiment très fort. On est toujours dubitatifs, nous regardons cartes et spectres. Les cartes en polarisation scalaire et tensorielle sont … impressionnantes … Les spectres, bon, il y a des barres d’erreur importantes mais la petite descente au bon endroit …. Il faut lire en détails mais le travail a l’air très complet et le résultat excitant/intrigant/étonnant. Évidemment leur faiblesse c’est de n’observer le ciel que dans une seule fréquence (une seule “couleur”). Ils le savent et font une batterie de tests pour mettre à l’épreuve l’origine cosmologique du signal. L’interprétation est, comme ils le disent eux-même, une première analyse rapide.  Vous trouverez un résumé j’espère bien accessible de leur article ici.

Extrait des cartes en polarisation publiées par la collaboration BICEP2 en mars 2014

Ces cartes vous semblent peut-être un peu petites, avec un résolution médiocre (comme celle à la Une) ? Elles viennent de leur article – je ne peux pas faire mieux. Et, surtout, il ne faut pas oublier ce qu’elles représentent : elles sont faites avec de la lumière qui a voyagé environ 13,8 milliards d’années et elles sont censées tracer les mouvements de la matière et les mouvements de l’espace sur un bout de ciel de la taille de deux pleine Lune . Donc c’est déjà vraiment impressionnant en fait !!!

Et maintenant, à nous de jouer

Nous sommes heureux de cette découverte : ce signal serait donc intense. Peut-être (sans doute ?) est-il un peu plus faible que cette première détection ne le laisse penser, mais il nous semble probable que « quelque chose » est bien là. Ce signal,  on va pouvoir l’étudier en détails et il va alors nous raconter durant ces prochains mois, ces prochaines années comment ce sont déroulés les tous premiers instants. L’enjeu est de comprendre quel mécanisme est à l’origine des structures. Le travail va se poursuivre, il faut confirmer (ou infirmer qui sait), affiner.

Nous sommes un petit peu jaloux aussi, forcément, mais Planck a d’autres atouts ! BICEP a été entièrement conçu pour traquer ce signal, rien que ce signal, et cette stratégie s’est révélée payante.
Nous n’avions bien-sur pas attendu les résultats de BICEP2 pour analyser les données de Planck en polarisation, mais la pression est montée d’un cran, voire de deux, c’est certain !

Du Big-Bang au grain de sable

C’est le titre de l’exposition permanente du planétarium de Vaulx-en-Velin qui a ouvert ses portes samedi dernier, et l’occasion de raconter notre collaboration avec ce lieu de culture scientifique exemplaire.

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© Cécile Renault, Planétarium de Vaulx-en-Velin

Mes premiers contacts avec Simon, actuel directeur, ont été en 2009 pour la première édition d’Ouf d’astro. Il monte un évènement autour de l’astro (c’est l’année mondiale de l’astronomie) en coopération avec les labos de la région. Vaulx-en-Velin, de prime abord, ça rappelle à ma génération une actualité de banlieue en feu. Mais c’était il y a longtemps et depuis ils travaillent pour changer cette image par une véritable politique sociale et culturelle, une équipe dynamique, sympathique, pleine d’idées et de talents.

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Pourquoi autant de méfiance face à la matière noire ?

L’annonce des résultats de Planck en mars dernier incluait “26% de l’énergie de notre univers aujourd’hui est sous forme de matière noire (avec une précision de l’ordre du pour-cent)”. Que la matière noire soit source de questions, c’est bien normal ! Mais elle a souvent été lors de conférences sujet de questions provocatrices (soit), sceptiques (soit …) voire soupçonneuses, quand ce n’était pas agressives. J’ai donc été amenée à réfléchir à la meilleure réponse – enfin pas trop mauvaise en tout cas, pour les matièrenoirosceptiques.

L'expérience zen d'un voyage au cœur d'un tableau de Pierre Soulages
L’expérience zen d’un voyage au cœur d’un tableau de Pierre Soulages

Soit on mesure mal …

Les chercheurs ne “croient pas” en la matière noire. Il y a des observations en contradiction avec la loi de la gravité (newtonienne, même pas la peine de faire appel à Einstein). Donc soit les mesures sont fausses, soit la loi est fausse, soit on relie mal les paramètres de la loi (ici la masse) aux mesures. Les mesures se sont largement affinées au cours de ces dernières dizaines d’années et le “problème” apparait à l’échelle des galaxies, des amas de galaxies, des grandes structures. Difficile d’imaginer que tout le monde se trompe alors que les résultats sont cohérents.

Soit c’est la faute d’Einstein …

Modifier la loi de gravité est très tentant. Après tout, Einstein a corrigé Newton pour les vitesses proches de celle de la lumière, pourquoi ne pas imaginé une modification qui aurait un effet aux très grandes échelles de distance, aux échelles “astronomiques” à proprement parler ? Plusieurs modifications ont été proposées mais aucune n’explique vraiment les observations des galaxies aux échelles cosmologiques. Et puis il y a eu l’amas du Boulet. Deux galaxies sont récemment rentrées en collision, on observe la distribution de matière ordinaire en rayon X, on déduit la distribution de masse totale par effet de lentille gravitationnelle. L’essentiel de la masse n’est pas là où on voit la matière ordinaire. Or c’est incompatible avec une modification de la loi ! Il existe des subtilités qui permettent de s’en sortir avec quand même un peu de matière noire mais l’élégance de cette solution a pris un coup quasi-fatal.

Soit on ne connait pas !

Reste l’interprétation : la masse “vue”, quel que soit le domaine de longueur d’ondes exploré, n’est qu’une petite partie de la masse “nécessaire” aux équations. Quelle est alors la nature de cette matière sombre ? Il y a une vingtaine d’années, on pouvait remplir notre galaxie de matière ordinaire car les erreurs sur la densité de matière baryonique (produite peu après le Big-Bang) et sur la masse nécessaire pour expliquer les vitesses des étoiles loin du centre galactique le permettaient. Ce n’est plus le cas. Il y a une vingtaine d’années la matière noire pouvait être “chaude” car on n’avait pas de simulations et d’observations des grandes structures assez fiables pour trancher. Le neutrino, particule non-baryonique qui a une vitesse très proche de celle de la lumière, était un candidat fort intéressant. Ce n’est plus le cas.

Aujourd’hui on calcule précisément la quantité de matière noire nécessaire pour expliquer les observations, on “voit” (indirectement) où elle est, on connait certaines de ses propriétés (neutre, sans interaction avec la lumière), mais on ignore toujours sa nature exacte (bien que de très nombreux modèles théoriques existent !) – on sait juste qu’elle doit être différente que ce qui compose les étoiles et nous, le gaz et les planètes.

Quand la lumière nous montre le noir
Quand la lumière nous montre le noir

Il ne faut pas croire que les chercheurs “veulent” de la matière noire, on rêvait plutôt de mettre en évidence une faille dans ce modèle ! Trouver une alternative à la nécessité de la matière noire était très très excitant. Mais non, les observations nous disent que l’ensemble est cohérent à l’unique condition de la présence (massive) de matière noire. Alors 13.8 milliards d’années deviennent limpides, plus limpides en tout cas.

Il est difficile de saisir l'ensemble, ce n'est pas une raison pour détourner le regard.
Il est difficile de saisir l’ensemble, ce n’est pas une raison pour détourner le regard.

Mais pourquoi est-ce impensable pour certains au point de mettre en doute (sans aucune connaissance permettant une critique légitime) les résultats d’années de travail de centaines de personnes ?

C’est finalement incroyablement “prétentieux”. Pourquoi ce qui n’est pas “comme nous” est donc si suspect ? Pourquoi ce que nous ne voyons pas avec nos yeux est donc impensable ?

Pourtant on a découvert que les ondes radio ou les rayons X sont tout autant de la lumière que ce que la photosphère du Soleil nous envoie : nos yeux ne voient pas tout. Pourtant on a découvert le neutrino par de la masse manquante, c’est une particule du modèle standard certes mais ses propriétés sont bien étranges pour un humain !

Il semble qu’il faille bien admettre que l’univers contient de la masse essentiellement sous une forme qui nous est étrangère et, pour l’instant, inaccessible. C’est une mauvaise nouvelle pour notre égo : non seulement nous sommes le centre de rien du tout mais en plus nous sommes fait d’une matière quasi-insignifiante à l’échelle du cosmos. Ce n’est pas une raison pour abandonner ! Le défi n’en devient que plus pimenté : comprendre le cosmos sculpté par la matière noire avec notre cerveau de matière ordinaire.