Résultats

Les cartes liés aux observations et les résultats cosmologiques ont été livrés en plusieurs parties jusqu’à atteindre la quasi-totalité des objectifs scientifiques fixés et listés dans le 6ème paragraphe du document Planck pre-launch status: The Planck mission (Tauber, Mandolesi, et al. 2010). En juillet 2010, la collaboration Planck édite la première image intégrale du ciel à partir des données reçues pendant 1 an. On y voit principalement la galaxie, des structures de gaz et de poussière et enfin, le CMB.

En janvier 2011 a eu lieu à la Cité des Sciences et de l’Industrie (La Villette) la première grande conférence détaillant les résultats obtenus depuis le début de la mission. Les thèmes abordés ont comme fil conducteur le catalogue composé de 15 000 sources compactes (Planck Collaboration et al. 2011c) comme les galaxies et amas de galaxies, étoiles, et autres sources infrarouge et radio. Sont également détaillées les composantes soustraites aux données pour en extraire ces sources, comme le Cosmic Infrared Background (CIB) ou l’émission micro-onde anormale. Cette conférence fut accompagnée de 26 publications, les « early results papers » publiées dans le journal Astronomy and Astrophysics8.

Par la suite, sont publiées les données en lien avec le CMB lors de la conférence de presse en mars 2013 au siège de l’ESA, à Paris. On y découvre la première carte du CMB réalisée par la collaboration Planck, mais également une révision des paramètres cosmologiques et de la

8 L’ensemble des publications est disponible à partir de l’adresse suivante : http://www.cosmos.esa.int/web/planck/publications

vitesse d’expansion de l’univers, ou encore la validation de certaines hypothèses en lien avec le modèle standard de la cosmologie.

De nombreux domaines scientifiques connexes sont également abordés comme l’étude de la matière noire, du lentillage gravitationnel, de l’effet SZ, et autres informations contenues dans les données.

Comme précédemment, l’ensemble des articles scientifiques est soumis au journal

Astronomy and Astrophysics. Mais sont également diffusées publiquement les données

acquises par le satellite Planck lors des 15,5 premiers mois de sa mission9.

Enfin, en février 2015 parait le dernier lot de 28 publications scientifiques (Planck Collaboration et al. 2015). L’ensemble des données récoltées par l’instrument HFI est maintenant disponible. Les avancées sont surtout techniques avec une meilleure suppression des systématiques et une meilleure calibration, desquelles découle une plus grande précision dans l’analyse scientifique. L’avancée majeure se situe dans la livraison et traitement des données polarisées du CMB.

Comme vu au §2.2.3, de nombreuses sources émettant à différentes fréquences se trouvent entre le satellite et le CMB. Ces émissions d’avant-plans, lorsqu’elles sont isolées correctement, fournissent d’importantes données astrophysiques. La difficulté réside dans une séparation juste des différentes composantes afin que chacune préserve l’ensemble de ses données.

Les différentes sources émettent à des longueurs d’onde spécifiques ou ont des propriétés spectrales connues que l’on peut donc isoler. Pour observer le CMB, les emplacements de ces sources peuvent alors être masqués si l’on ne peut observer au-delà, ou corrigés.

Plus d’une dizaine de méthodes de séparation des composantes ont été développées afin d’extraire le CMB des données bien sûr, mais également, les cartes d’émission du monoxyde de carbone, des amas de galaxies, le fond diffus infrarouge (CIB). Ci-dessous sont présentés les principaux résultats obtenus à partir des données recueillies par le satellite Planck.

Carte et spectre de puissance des fluctuations de température du fond diffus cosmologique Ces données permettent d’obtenir de nombreuses informations sur l’état de l’univers tel qu’il était il y a 13,7 milliards d’années. Elle fournit les températures des photons libérés 380 000 ans après le Big Bang.

La carte représente les anisotropies du CMB, soit ses fluctuations en température (Figure 2.14). Le graphique représente le spectre de puissance du CMB en fonction de l’échelle angulaire prise en compte (Figure 2.15).

9 Les données peuvent être récupérées depuis l’adresse suivante :

http://www.sciops.esa.int/index.php?page=Planck_Legacy_Archive&project=planck

Figure 2.14 : la carte en température du CMB fabriquée à partir des données de la mission Planck est la plus précise jamais réalisée. On y distingue des fluctuations de température à la dizaine de microkelvin près. L’échelle est centrée sur la température du corps noir de 2,726 K. La fluctuation la plus froide apparait en bleu à la température de -300 µK. La plus élevée en rouge à +300 µK. (Planck Collaboration et al. 2015)

Figure 2.15 : Spectre de puissance des fluctuations de température du CMB en fonction de l’angle mesuré par la mission Planck. Les points rouges sont les mesures réalisées par Planck avec leurs barres d’erreur. Les erreurs sont grandes à des échelles angulaires élevées, pour lesquelles il n’y a pas assez de zones de cette taille dans le ciel pour fournir un échantillon statistiquement significatif. C’est ce qui est appelé la variance cosmique. La courbe verte représente le meilleur ajustement pour le modèle standard de cosmologie (ΛCDM), qui est à ce jour le scénario le plus largement accepté. Le plateau, les pics acoustiques et l’amortissement sont bien présents. On voit que l’essentiel de l’énergie se trouve dans des fluctuations d’échelle ∼ 1°. (Planck Collaboration et al. 2015)

Paramètres cosmologiques

Au nombre de 6, ces paramètres décrivent le modèle standard de cosmologie ΛCDM. Ce sont ces paramètres qui permettent de définir la composition de notre univers répartie entre

matière baryonique, matière sombre, énergie sombre et autres sources de rayonnement aux différentes étapes de sa formation.

Figure 2.16 : Les 6 paramètres principaux mesurés par Planck et 3 paramètres dérivés. Les incertitudes sont données à 1σ. Ces paramètres donnent, dans l’ordre, la densité baryons, la densité de matière sombre, l’horizon du « son » dans le plasma photon/baryon au découplage, la profondeur optique de réionisation, l’indice spectral du spectre de puissance de la matière à l’origine et l’amplitude du spectre de puissance de la matière. En découle les trois derniers paramètres : la densité d’énergie noire, la densité de matière et la constante de Hubble. Données extraites de (Planck Collaboration et al. 2014c)

Figure 2.17 : Composition de l’univers calculée à partir des paramètres cosmologiques mesurés par Planck. De gauche à droite et de haut en bas, les différentes étapes de l’Histoire de l’univers : l’inflation, 3 minutes après le Big Bang, 400 000 ans après le Big Bang, aujourd’hui, dans 10 milliards d’années.

Source : site web HFI/Planck

Carte du monoxyde de carbone

Les nuages moléculaires sont des régions denses et compactes de la Voie Lactée. Ces nuages sont majoritairement composés d’hydrogène (H2) et abritent la création des étoiles, puis des systèmes solaires. Malheureusement, l’H2 n’est pas facilement observable et doit donc être remplacé par un autre traceur, le monoxyde de carbone. Connaitre les densités de CO dans notre galaxie permet de mieux connaitre les conditions physique et chimique qui amènent à la formation des nuages moléculaires, pouponnière des étoiles.

Figure 2.18 : Première carte de la totalité du ciel de l’émission du monoxyde de carbone (CO). Ce rayonnement à 115,27 GHz est obtenu par les réponses légèrement différentes des détecteurs à 100 GHz de HFI. La majorité du gaz est fortement concentrée dans le plan galactique où se trouve une grande proportion des nuages. Source : ESA / Planck

Carte des sources ponctuelles

Les sources ponctuelles observées par Planck sont listées sous forme de catalogues. Au nombre de onze, chaque catalogue correspond à une fréquence embarquée sur le satellite plus deux autres catalogues qui sont dédiés aux amas et superamas ainsi qu’aux nuages moléculaires froids. Environ 25 000 sources sont référencées, composées de sources galactiques (nuage moléculaire froid, objets du milieu interstellaire, étoiles) et extragalactiques (galaxie radio et infrarouge, blazar et amas de galaxies).

Les bandes de fréquence de HFI ont été entre autres sélectionnées pour observer des amas de galaxies à l’aide de l’effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ). Cet effet apparaît lorsque les photons du CMB interagissent par diffusion Compton inverse avec les électrons libres du gaz chaud qui emplit les amas. Les photons sont donc portés à des énergies plus élevées ce qui se traduit par un déficit de photons à basse énergie et un excès à haute énergie, par rapport au spectre du CMB. Cette méthode a amené la découverte de plusieurs dizaines d’amas non répertoriés jusque-là.

Figure 2.19 : [A gauche] carte réalisée d’après le catalogue listant près de 25 000 sources ponctuelles observées aux différentes fréquences de Planck. La taille des points est proportionnelle à la puissance du signal mesuré. [A droite] carte des amas et amas de galaxies détectés par l’effet SZ. Le bandeau central masquant la carte correspond à l’émission du plan galactique. Source : ESA / Planck