Mise à jour le 18 Mars 2014
                                                                                                                                                    
     
CONFÉRENCE de Michel PIAT
APC (Astro Particules et Cosmologie)
«Évolution de l’instrumentation pour l’observation du CMB :
de Penzias et Wilson à la mesure des anisotropies polarisées»
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI
 
Le Samedi 15 Mars 2014 à 15H00 
à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.
 
Photos : JPM pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire
(Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en pdf) elle est disponible sur le site de la commission et également disponible sur ma liaison ftp au téléchargement et s'appelle. SAFcosmo 15 mar14 MPiat.pdf elle est dans le dossier COSMOLOGIE SAF de la saison 2013-2014).
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
Pour info les actualités cosmo présentées ce jour là sont aussi disponibles sur le site de la commission.
 
 
 
BREF COMPTE RENDU
La présentation nous ayant été donnée par le conférencier et étant très claire et très complète ce compte rendu sera succinct.
 
 
Il semble que la nouvelle disposition de la salle satisfasse tout le monde,
mais maintenant ce sont les chaises qui vont poser problème.
 
 
 
 
Michel Piat est comme il le dit si bien un « instrumentaliste » il met au point des instruments permettant de caractériser le bruit de fond cosmologique (CMB).
Il est actif à l’APC qui dépend de Paris 6 Diderot.
 
La polarisation du CMB est un des prochains challenges de l’astrophysique. En effet une mode de polarisation (B) serait l’indice de l’existence des ondes gravitationnelles que tout le monde recherche. (info de dernière minute : ondes que l’on vient de trouver)
 
Il commence cet exposé avec les différents instruments pour caractériser le CMB, puis un historique et enfin la mesure de la polarisation.
 
 
 
 
 
COMMENT MESURER LE RAYONNEMENT FOSSILE (CMB).
 
Rappelons que le CMB a été émis 380.000 ans après le Big Bang lorsque la température de l’Univers avait baissé (300K) et laissait enfin passer les photons qui n’étaient plus obligés de se combiner avec d’autres particules.
 
Cette émission était celle d’un corps noir (à l’époque donc 3000K soit un facteur de décalage redshift de 1100) et correspond toujours à notre époque actuelle à un corps noir mais dont la température a chuté à approx 3K.
 
Ce qui était à l’origine dans le domaine du visible (bien qu’il n’y ait eu personne pour le voir !!) est maintenant dans le millimétrique (maxi autour de approx 2mm   150 GHz).
 
 
 
 
 
 
 
Mais si on veut s’intéresser à ce rayonnement « fossile », il faut aussi tenir compte des autres rayonnements présents à notre époque.
 
On voit que le CMB domine largement.
 
(le CIB = Cosmic IR Background : fond infra rouge).
 
Le CMB se trouve approx dans le domaine 1 à 500GHz .
 
 
 
 
 
 
 
Dans ce domaine, deux méthodes de détection dominent :
·        Détection radio : nécessite une électronique HF, refroidissement à 4K nécessaire ; mais les mesures seront limitées en sensibilité.
·        Détection thermique (bolomètres) : super thermomètres qui mesurent l’échauffement dû à l’absorption du rayonnement ; extrêmement bonne sensibilité mais nécessitent un refroidissement à 0,3K !!! Instrumentation lourde mais performante.
Voir les bolomètres Spiderweb du Caltech.
 
 
 
HISTORIQUE DES MESURES DU RAYONNEMENT FOSSILE.
 
Dans les années 1964-1965, tout le monde connaît l’aventure de Penzias et Wilson aux Bell Labs avec la grande antenne du New Jersey, voir le récit que nous en faisait il y a quelques années Bob Wilson à Paris.
 
Ce sont eux qui ont mis le doigt sur ce qu’ils considéraient comme une anomalie mais que recherchaient activement leurs collègues du MIT (dont Dicke). Cela amena un commentaire célèbre du MIT : « Well boys, we have been scooped » (les enfants, ils nous ont .. eu !)
Pour la découverte de ce rayonnement mesuré à l’époque à 3,5K, ils furent récompensés par le Prix Nobel en 1978.
Gamov avait donc raison, il avait prédit l’existence d’un tel rayonnement. Et il est très constant et homogène à première vue.
 
 
 
Michel Piat, nous signale que l’on peut détecter le CMB dans son jardin avec un équipement relativement simple : une parabole satellite, mais aussi (un peu moins simple) un peu d’azote liquide.
 
 
Voici ce qu’a obtenu notre conférencier avec ses étudiants.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Suite à cette découverte, on se mit à mesurer avec plus de précision ce rayonnement, et pour cela il fallait aller dans l’espace.
Plusieurs missions de plus en plus performantes se succédèrent.
 
 
COBE (Cosmic Background Explorer 1989) : équipé de 4 bolomètres à 1,5K, il mesure avec une plus grande précision ce bruit de fond : 2,725K +/- 0,002K. Les anisotropies sont de l’ordre de 0,001%. John Mather et George Smoot obtiennent pour cela le Nobel de Physique en 2006.
 
On s’intéresse à ces anisotropies, en traçant le spectre de puissance qui est en gros la quantité de fluctuations classées en fonction de leur taille, comme on le voit sur la diapo ci-contre.
On en déduit des contraintes pour le modèle d’Univers.
 
 
 
 
 
Des expériences avec des ballons stratosphériques viennent compléter ces mesures, comme Boomerang ou Archeops (23 bolomètres refroidis à 0,1K, en fait un démonstrateur de la futur mission Planck).
 
Les résultats des expériences des ballons montrent que le premier pic sur le spectre de puissance est clairement visible. Les cosmologistes en déduisent les constantes de l’Univers (voir illustration) avec la conclusion : l’Univers est plat ! (Omega total = 1 donc pas de courbure). La position du premier pic est une mesure de Omega Total.
 
 
 
 
 
 
L’expérience Qubic avec son interféromètre DASI, met en lumière qu’environ 10% des photons du CMB sont polarisés
 
Puis en 2001 WMAP vient remplacer COBE dans l’espace, il est positionné en L2.
Il est plus performant, il comporte des détecteurs refroidis à 50K. il mesure des anisotropies de 400µK.
 
 
 
Et enfin Planck, vint ! (lancement 14 Mai 2009 en L2)
Michel Piat, nous montre un document exceptionnel : le premier concept de Planck griffonné sur du papier le 10 Avril 1993 par son concepteur Jean Michel Lamarre.
 
Nos lecteurs connaissent bien cette mission, nous l’avons souvent évoquée.
 
Beaucoup de nouveautés à bord : 52 bolomètres du Caltech ultra sensibles, à 0,1K !!! avec un nouveau système de refroidissement à plusieurs étages.
 
 
 
 
 
 
 
Les données brutes de Planck.
 
Les pics erratiques proviennent des rayons cosmiques.
 
Les petits pics réguliers proviennent de notre Galaxie (le satellite tourne sur lui même en une minute et donc voit notre Galaxie toutes les 60 secondes.)
 
Les données de Planck ont été explicitées dans ce rapport de la réunion de fin d’embargo du 21 mars 2013..
 
 
 
 
 
Un des résultats fondamentaux de Planck est la confirmation du modèle actuel.
Un paramètre important est le facteur ns qui représente l’indice spatial des fluctuations scalaires. Il vaut 0,96 et non pas 1
Ce facteur représente la taille des grumeaux à différentes échelles dans l’Univers primordial ; s’il était égal exactement à 1 , les grumeaux auraient tous la même taille ; ce qui serait contraire à la théorie de l’inflation, il fallait en fait que ce facteur soit aux alentours de 0,96. Planck en apporte la preuve pour la première fois.
C’est un résultat fondamental qui confirme la prédiction de l’inflation.
 
 
 
MESURE PRÉCISE DE LA POLARISATION DU CMB .
 
L’origine de cette polarisation provient de la diffusion Compton des photons avec les électrons au moment du découplage rayonnement matière. En gros 10% des photons deviennent polarisés.
 
NdlR : Sans rentrer dans d’autres détails plus compliqués, la polarisation du signal du CMB a deux modes de propagation : les modes E (E comme champ électrique) et B (B comme symbole du champ magnétique, mais ce n’est qu’une analogie) qui sont de différentes parités (E est paire et B est impaire).
Ces deux modes contiennent des informations complémentaires sur l’Univers aussi bien à son début qu’aujourd’hui.
D’après les astrophysiciens, les composantes B sont la signature d’ondes gravitationnelles primordiales produites lors de l'inflation.
Ce sont ces ondes qui ont imprimé ce mode B dans la polarisation du CMB.
Ce sont les plus difficiles à détecter.
Ces ondes B sont aussi produites par le passage du rayonnement près de galaxies avec l’effet de lentilles gravitationnelles.
Nota : c’est ce mode B que le télescope en Antarctique BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization ) vient de détecter et qui a été annoncé le 17 Mars 2014(voir les prochains astronews).
 
 
 
Ces modes de polarisation vont entraîner une contrainte des paramètres cosmologiques.
 
 
On voit ici une simulation sur la polarisation dues aux mesures de Planck.
 
 
Des nouvelles de Planck sur la polarisation devraient nous être communiquées vers la fin de l’année.
 
 
 
 
 
 
Comment améliorer ces mesures de polarisation ?
 
Avec un nouveau projet : CorE : Cosmic Origins Explorer.
 
Cette mission prévoit l’emploi de matrices de bolomètres supra conducteurs à plusieurs milliers de pixels.
 
Le projet a été soumis à l’ESA.
 
 
 
 
 
 
 
 
En conclusion, nous entrons dans l’ère de la cosmologie de précision, les paramètres cosmologiques sont connus au pour cent près !
 
La prochaine étape est la caractérisation précise du mode B primordial de polarisation du CMB.
 
C’est d’après notre conférencier, un véritable défi instrumental.
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN :
 
 
Planck et la polarisation notamment, à l’APC.
 
Thèse de M Piat sur l’instrumentation du CMB .
 
Développements instrumentaux dans le domaine (sub-)millimétrique pour les observations astrophysiques par M Piat.
 
Polarization experiments par M Piat et collègues.
 
Toutes les infos sur Planck sur votre site préféré.
 
Use of High Sensitivity Bolometers for Astronomy: Planck High Frequency Instrument par JM Lamarre et M Piat.
 
Herschel :.Il participe lui aussi au décryptage du CMB
 
Uncovering CMB B-mode with Planck par Chris Crowe présentation pdf.
 
BICEP au Caltech.
 
CorE la définition du projet pour l’ESA.
 
 
 
Jean Pierre Martin SAF Président de la Commission de Cosmologie
www.planetastronomy.com
Abonnez-vous gratuitement aux astronews du site en envoyant votre e-mail.
 
 
PROCHAINES RÉUNIONS DE LA COMMISSION DE COSMOLOGIE :
 
Notez dès à présent les dates des prochaines réunions : toujours à 15H au siège 3 rue Beethoven P16
Nous sommes satisfaits de la nouvelle réorganisation de la salle.  Merci d’avance de votre aide.
 
·        samedi 17 Mai 2014 : Rémy Lestienne, Physicien sur le thème : « La problématique de l’émergence ».
·        ne pas oublier : samedi 24 Mai journée des commissions à Meudon !
 
À la rentrée nous discuterons de deux sujets proposés par nos membres, pour lesquels nous devons nous préparer.
 
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