Effet sur les spectres de polarisation du CMB

L’impact global sur les spectres de E et B est comparable à celui sur le spectre de température c’est-à-dire que la déflexion produit un lissage général des structures et un déplacement de la puis-sance à haut `. Par ailleurs, l’effet de lentille gravitationnelle de la polarisation du CMB produit une fuite de puissance de E dans B et constitue une source importante de contamination pour la mesure des modes B primordiaux. On trouvera le détail des équations dans Lewis & Challinor (2006).

CHAPITRE 3. EFFET DE LENTILLE GRAVITATIONNELLE SUR LE CMB

Figure 3.6 – Impact de l’effet de lentille gravitationnelle sur le spectre de puissance de tem-pérature.Le calcul est effectué avec CAMB à partir des paramètres cosmologiques de WMAP. Les pics et les creux du spectre de puissance lentillé (en rouge) sont lissés. La différence rela-tive entre les spectres lentillé et non lentillé, est tracée sur la courbe du bas. Elle dépasse les 5% à haut `.

Deuxième partie

Compression des données de

l’instrument HFI de Planck

Chapitre 4

L’expérience Planck

Le satellite Planck, lancé le 14 mai 2009, est une mission de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) visant à observer le rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB), sur le ciel complet avec une sensibilité, une résolution et une couverture en fréquence inégalées. Il est prévu pour balayer quatre couvertures complètes du ciel afin de mesurer le spectre de puissance des anisotropies de température et de polarisation du CMB. Le but final est d’essayer de répondre aux questions fondamentales de la cosmologie moderne et de contraindre les modèles de formation et d’évolution de l’Univers et des grandes structures qui le compose.

De nombreuses composantes galactiques émettant aux longueurs d’ondes d’observation de Planck, des résultats particulièrement intéressants sont attendus également sur la physique de notre Galaxie, notamment sur la poussière interstellaire, le rayonnement synchrotron galactique, le rayonnement de freinage... Dans ce chapitre nous présenterons rapidement l’historique et les motivations scien-tifiques à l’origine du projet Planck. Puis, nous détaillerons les éléments qui composent le satellite en nous attardant plus particulièrement sur les deux instruments de mesure, basse fréquence et haute fréquence. En plus des références spécifiques données dans les sections suivantes, une description du satellite Planck et de ses objectifs scientifiques peut être trouvée dans le Planck Blue Book édité par l’ESA (Planck Science Team (2005)).

4.1 Historique et présentation

Le rayonnement du CMB, prédit par Gamow dès 1948 (Gamow (1948b)), a été détecté par hasard, pour la première fois par Penzias et Wilson en 1965 Penzias & Wilson (1965). Par la suite, de nombreuses expériences ont été menées pour caractériser son spectre mais aussi et surtout pour rechercher la présence d’éventuelles anisotropies. Le maximum de l’émission du CMB se fait dans le domaine millimétrique ou infrarouge lointain (voir figure 2.1). Il est relativement difficile de faire des observations à ces longueurs d’onde depuis la Terre, à cause de l’émission thermique des corps d’une part et à cause de l’absorption par l’atmosphère d’une grande partie du rayonnement d’autre part.

Pour s’affranchir du bruit causé par l’émission thermique des instruments il est nécessaire de les refroidir à des températures suffisamment basses en fonction du niveau de bruit requis. Cela nécessite le plus souvent l’emploi de technologies cryogéniques avancées. Il reste toutefois toujours un bruit de fond créé par l’émission de l’ensemble de l’environnement (bâtiments, sol, atmosphère...).

Comme on peut le voir sur la figure 4.1, l’absorption par l’atmosphère dans l’infrarouge est très importante, à cause de la présence de molécules très efficaces pour absorber le rayonnement à ces longueurs d’onde, notamment la vapeur d’eau et l’ozone. On peut réduire ces effets en plaçant les instruments en altitude ou aux pôles, dans des régions où l’atmosphère est particulièrement stable et possède une faible teneur en vapeur d’eau. Plusieurs expériences ont ainsi été menées depuis le sol dont certaines sont toujours en cours de prise de données. On peut citer par exemple ACBAR, CBI, DASI, SPT ou encore ACT en ne retenant que quelques unes des plus connues.

Pour limiter encore les effets de l’atmosphère, il est possible d’embarquer les détecteurs sur des ballons stratosphériques. Des expériences de ce type ont obtenu des résultats particulièrement intéressants, notamment BOOMERanG, MAXIMA ou encore Archeops qui a servi de prototype pour

CHAPITRE 4. L’EXPÉRIENCE PLANCK

Figure 4.1 – Transmission de l’atmosphère en fonction de la longueur d’onde. On constate que l’atmosphère est presque totalement opaque à l’ensemble du spectre électromagnétique. On trouve des fenêtres importantes dans le visible et dans le centimétrique qui ont permis de réaliser un grand nombre d’observations depuis le sol à ces longueurs d’onde. Aux longueurs d’onde de Planck, dans le domaine millimétrique, on remarque qu’une grande partie du rayonnement est absorbée.

les détecteurs bolométriques et le réfrigérateur à dilution d’hélium de Planck. Cependant les vols en ballons n’excèdent pas quelques dizaines d’heures et la couverture du ciel est donc relativement restreinte. La seule façon de s’affranchir totalement des perturbations atmosphériques et d’obtenir une couverture complète du ciel, est de faire les observations depuis l’espace.

Lancé en novembre 1989, le satellite COBE (COsmic Background Experiment) est le premier satellite dédié à l’observation du CMB. Il a fait la mesure la plus précise du spectre du CMB et a permis la première mise en évidence d’anisotropies dans le rayonnement fossile. En 2001, la NASA a lancé le satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) qui a largement amélioré la mesure des anisotropies de température et a permis de déterminer son spectre de puissance de façon très précise jusqu’à ` égal à 1000. Le satellite Planck, lancé en mai 2009 est le satellite de troisième génération dédié à l’étude du CMB. En plus d’apporter une meilleure sensibilité et résolution angulaire il permet également de mesurer pour la première fois de façon significative le spectre de puissance de la polarisation du CMB.

La publication en avril 1992 par l’équipe de COBE de la détection de fluctuations dans le rayon-nement du CMB à un niveau de l’ordre de 10−5est un événement majeur de la cosmologie moderne qui a suscité une grande effervescence à l’origine de l’intérêt croissant porté à l’étude du CMB. Ainsi, cette même année, deux missions spatiales ont été proposées à l’ESA dans le but d’étudier les anisotropies du CMB : une mission italienne COBRAS (COsmic BackgRound Anisotropies Satel-lite) et une mission française SAMBA (Satellite for the Measurement of Background Anisotropies). COBRAS devait faire des observations dans les longueurs d’onde de 30GHz à 100GHz avec des radiomètres refroidis par cryogénie. SAMBA devait, de son côté, faire des observations dans les longueurs d’onde entre 100GHz et 1000GHz avec des bolomètres cryogéniques placés au foyer d’un télescope de basse émissivité d’environ 80cm.

En 1994, l’ESA a décidé d’associer les deux projets dans un même satellite, jugeant qu’ils étaient relativement similaires et complémentaires en terme de longueur d’onde et a alors lancé l’étude de phase A pour un satellite COBRA/SAMBA. En 1996, dans le cadre du programme scientifique Horizon 2000, l’ESA a définitivement sélectionné la mission COBRAS/SAMBA comme mission dédiée à l’étude du CMB, en tant que troisième mission de classe moyenne. Un appel d’offre pour deux instruments a été lancé par l’ESA, auquel ont naturellement répondu un consortium international mené par les italiens du CNR de Milan pour l’instrument basse fréquence et un consortium international conduit par l’IAS pour l’instrument haute fréquence.

La mission a été rebaptisée Planck, en 1997, en l’honneur du scientifique allemand Max Planck (1858–1947) à qui on doit le modèle d’émission du corps noir. Pour des raisons de budget, l’ESA a décidé de regrouper le satellite d’observation Herschel avec Planck, dans la même fusée. C’est en 1999 que la version définitive du satellite et de ses instruments a été acceptée.

Finalement, Planck a été lancé avec le satellite Herschel le 14 Mai 2009 à 14h12m02s BST par une fusée Ariane 5 depuis la base de lancement de Kourou. Après un trajet d’un cinquantaine de jours, il a été placé sur son orbite finale autour du second point de Lagrange Soleil-Terre (L2) à une distance d’environ 1.5 million de kilomètres de la Terre. Après une phase de refroidissement, d’étalonnage et de vérification des performances en vol, les observations ont commencé le 13 août 2009 et devraient continuer jusqu’en janvier 2012.