L’écho du Big BangNos interrogations sur l’Univers:

le Big Bang et la matière noire

Le rayonnement fossile:

Une source unique d’informationInstrumentation:

- Expérience ballon Archeops- Satellite Planck

Alain BenoitInstitut Néel CNRS Grenoble

Physique et cosmologie

Physique = description et prédiction des phénomènesRôle majeur de l'expérience --> reproductibilité

Astrophysique : uniquement observation passive

Cosmologie : 1 seul Univers à observer

Mais :- même physique partout- Univers isotrope et homogène

Les observations en cosmologie

Questions:1 Histoire

- Age et formation de l'Univers ?- Inflation ?- Expansion infinie ou effondrement ?

2 Contenu- Matière ordinaire- Matière noire- Energie

Moyens:Fond diffus à 3K = photo de l'UniversLentilles gravitationelles + grandes structures +

supernovaeNucléosynthèse primordiale

• Toutes les galaxies s’éloignent de nous• Plus elles sont éloignées et plus elles s’éloignent rapidement• Si l’on remonte le temps: elles se rapprochent

L’expansion de l’Univers

L’Univers était plus dense il y a quelque milliards d’années

Un observateur situé ailleurs ferait les mêmes observations

Loi de Hubble (1930)

Evolution de l’Univers

Vitesse d’expansion mesurée: Constante de Hubble H0 = vitesse / distance• Vitesse constante : On trouve environ 13 milliards d’années

2) Modèle mécanique classique ou relativiste Attraction gravitationnelle / inertie / pression

L’âge de l’Univers

1) Mesure directe des variationsde la vitesse d’expansionL’expansion s'accélère !!

Notion de vitesse critique:Vitesse suffisante pour contrebalancer les forces de gravitation

Masse critique de l’universΩ < 1 expansion indéfinieΩ > 1 expansion ralentie

puis contraction de l’Univers

Il y a une force répulsive ??

Vitesse d'éloignement

Distance

Hypothèse du Big Bang(modèles de Friedman 1922)

•Explication tournée en dérision (Big Bang)•Aujourd’hui confortée par les mesures•Calcul précis: dilatation = refroidissement

Physique bien connue

Le scénario du Big Bang

Univers très dense : chaud et homogèneIl a bien fallu fournir l’énergie

nécessaire à l’expansion actuelle ??

Si l’on remonte le temps ?

• Masse lumineuse visible

- Décompte des étoiles et galaxies visibles : masse très faible Ω < 1 %• L’Univers contient certainement plus de matière

- Vitesse des galaxies dans les amas supérieures aux vitesses d'échappement (1930)

- Distribution anormale des vitesses des étoiles dans les galaxies (1970)

La masse de l’Univers

Un halo de matière noire ??jusqu'à 10 fois le diamètre de la galaxie !!

Soit il y a de la matière noireSoit il faut changer la théorie de la gravitation

• Effet de lentille gravitationelle

Nucléosynthèse primordiale

Synthèse des éléments légers dans la fournaise primordiale par capture de neutrons:

p + n 2 H (Deutérium)2 H + p 3 He (Hélium 3)3 He + n 4 He (Hélium 4)

• Seule manière de produire autant d’Hélium 4 sans produire trop d’éléments lourds

• Les proportions relatives dépendent de la masse de baryons par rapport à la masse critique

Masse de baryons : Ωb = 0.04

Alpher, Bethe, Gamov, 1948

Avant t = 400 000 ans •Température > 3000 K•Plasma = noyaux + électrons + lumière•Univers très chaud: opaque et lumineux

Le rayonnement fossile

•Après le découplage, la lumière s’échappe et se propage en ligne droite après 14 milliards d’années, elle arrive sur la terre !•Si l’on regarde très loin, on voit un Univers ancien, chaud et homogène

(durée de propagation de la lumière)•On observe de l’intérieur une sphère dont le rayon est l’âge de l’Univers

Après t = 400 000 ans•Température < 3000K•Les noyaux et les électrons s’assemblent pour faire des atomes•L’Univers est un gaz transparent

Prédiction : Gamov 1940 Observation : Penzias et Wilson 1965

Ciel uniformément blanc ?

• Décalage en fréquence par effet doppler• Perte d’énergie due à l’expansion de l’Univers

Lumière invisible (longueur d’onde) = 1 mm au lieu de 1 micron

Corps noir T = 3 K au lieu de T=3000 K

t=400 000 ans : découplage rayonnement / matière

Observation du rayonnement fossile

• Première détection du CMB en 1965 par Penzias & Wilson « Excès de bruit »

Corps noir à T = 2.72 K

Spectre du rayonnement:

•Mesures satellite•Ballon•Fusées

•Mesure au sol

Spectre de corps noir

Fréquence (GHz)

Longueur d ’onde (cm)

Emission identique à celle d’un corps chaud

Observation du ciel par COBE (1994) et WMAP (2004)

Carte brute à 150 GHz

Le signal est dominé par le rayonnement fossile:

Petites variations d’intensité 1/1000

causées par déplacement de la terre dans l’univers.

Effet doppler soustrait

L’émission de notre galaxie domine les fluctuations d’intensité résiduelles

Signal galactique soustrait

Il ne reste plus que les fluctuations du rayonnement fossile

variations d’intensité de 1 / 100 000

le ciel est tout blanc !

Confirmation du modèle du Big Bang (COBE 1994)

•Rayonnement fossile = spectre d’un corps noir•Parfaitement homogène dans toutes les directions

•De très petites fluctuations résiduelles

Très difficile à expliquer sans le Big Bang

Les observations

Les fluctuations• Fluctuations de densité initiales

• Oscillations de densité dans le plasma

• A la recombinaison:– Image instantannée des fluctuations de densité et de température– Analyse spectrale: décomposition en harmoniques sphériques– Mesure du contraste des fluctuations pour différentes tailles de grumeaux

• Ensuite: effondrement gravitationnel:– Formation des structures actuelles : amas, galaxies, étoiles, trous noirs

• Puissance de rayonnement du fond cosmologique: – W= T4 a T=300K -> 500 W / m2 pour T = 3K --> 5 µW / m2

• Résolution angulaire d’un télescope: = / d ( = longueur d’onde = 2mm, d = diamètre du télescope = 1.5m)

résolution typique : ≈ 6 arc minute

• Puissance incidente sur les bolomètres:– Télescope=1 m2 angle de vue = 10 arc minute --> W ≈ 5 pW

– Filtrage en fréquence bande d / = 20% --> W ≈ 1 pW

• Bruit de photon:– Nombre total : --> n ≈ 1010 photons / seconde

– Bruit en racine(N) --> dn/n ≈ 10-5 --> bruit ≈ 10-17 W Hz-1/2

• Amplitude des fluctuations– Amplitude typique ∆T/T ≈ 10-5

– Echelle angulaire du premier pic : ≈ 0.5°

Quelques ordres de grandeur

Principe du bolomètre

T

t

T0

Absorbeur Thermomètre (T)

On mesure simplement les variations de température du bolomètre lorsque l’on balaye le ciel avec le télescope

Lien thermique (G)

Mesure de puissance totalePhotométrie

T - T0 = Prayonnement / G

Prayonnement

Peu sensible à la température ambiante

Très sensible à basse température

Le bolomètre en toile d’araignée

Fabriqué à partir d’une membrane déposée sur silicium• la grille absorbante a un diamètre de 2.6mm• les poutres ont une largeur de 4m et une épaisseur de 1m.• Le thermomètre est un cristal de NTD-Ge

de 250 m3 rapporté manuellement.

T = 300mK

NEP = 1,5.10-17 W/Hz1/2

= 11ms C = 1pJ/K

T = 100mK

NEP = 1,5.10-18 W/Hz1/2

= 1,5ms C = 0,4pJ/K

Caltech / J.P.L.

Les matrices de bolomètres

ARCHEOPS

Matrice lithographiée

Bolomètres à antenne

Assemblée de bolomètres individuelsOn utilise les techniques de micro-électronique

PLANCK

Refroidissement à très basse température

1) Détente d’un liquide et évaporation- Transpiration: évaporation de la sueur

- Réfrigérateur domestique: compression puis détente d’un liquide

- Mêmes techniques utilisées en laboratoire avec d’autres liquides- Azote liquide: T = 77 Kelvin (-195°)

- Hydrogène liquide T = 20 Kelvin (-253°)

- Hélium liquide T = 4.2 Kelvin (-269°)

- Hélium 3 liquide T = 3.2 Kelvin (-270°)

- Pompage à basse pression Température minimum 0.3 Kelvin

2) Plus basses températuresTrop froid: Tous les gaz se liquéfient

Tous les liquides se solidifient

Une exception : l’hélium reste liquide à T = 0 Kelvin

Mécanique quantique principe d’incertitude

Les deux isotopes de l’hélium

Mécanique classique : mêmes propriété physiques

(masse légèrement différente)

Mécanique quantique : statistique différentedifférence paire / impaire

Hélium 42 protons, 2 neutrons et 2 électrons

Hélium 32 protons, 1 neutrons et 2 électrons

Dilution de l’Hélium 3 dans l’Hélium 4Energie de mélange refroidissement très efficace

Température : 1 kelvin 0.003 Kelvin (3 mK)

Le cryostat à dilution

Les difficultés de la dilution traditionnelleUtilisée au laboratoire depuis les années 1960

Fonctionne en continu avec recyclage

des isotopes d’hélium

Nécessite une installation de pompage

(tuyaux Ø 30 à 100 mm)

Ne fonctionne qu’en présence de gravitation

--> Très difficile à utiliser sur un satellite

La dilution en cycle ouvert (CRTBT 1988)

Injection séparée de gaz pur 3He et 4He

Extraction du mélange et récupération

ou éjection dans l’espace

Pas de pompe Insensible à la gravitation Un cryostat à dilution Traditionnel (CRTBT)

Principe du cryostat à dilution en cycle ouvert

Film obtenu par neutrographieS. Pujol, M. Enderle, Institut Laue Langevin

tubes de 0.3mmtubes de 40 µm

V > vitesse critique

Seul le 3Hélium absorbe les neutrons3Hélium noir / 4Hélium blanc

4He -->

3He -->

4.2 K 1.5 K 0.3 K 0.1 K

Entrée 3Hélium

Températures(Kelvin)

Entrée 4Hélium

Sortie Mélange

Liquide superfluide

• Balayage du ciel en continu• Satellite: rotation du satellite en 1 minute

• Couverture complète du ciel en 6 mois

• Ballon : rotation de la nacelle sur elle même• Pointage fixe avec une élévation de 41°

• Balayage d’une large portion du ciel en 24 heures

• Implication sur la mesure: Bolomètres très rapides

• Rotation a 2 tour/minute -> 3 arc minute sur le ciel = 5 milli-secondes

• Pas de soleil (ou a très basse élévation) et pas de lune

La stratégie d’observation

Limiter les perturbations atmosphériques

Faire une carte de tout le ciel

• En satellite: point L2

• En ballon stratosphérique (40km)

L’expérience Archeops

Beaucoup moins cher qu’un satellite

Plus rapide à mettre en oeuvre- Tester certaines technologies utilisées dans le satellite

- Préparer les équipes au traitement des données

- Obtenir rapidement un résultat scientifique

Collaboration internationale pilotée par le CRTBT GrenobleCNRS SPM-INSU-IN2P3, CEA, CALTECH/JPL(USA),QMW (U.K.), Université Rome, Université Minnesota

La nacelle et le cryostat Archeops

Bolomètre

Cornets d'entré a T=10Kelvin

bolomètres a T=0.1Kelvin

Le cryostat ouvertLa plaque 100mK supportant les détecteurs

Les miroirs du télescope sur la nacelle Archeops

Le cryostat et sa fenêtre d'entré

• Le gaz se dilate lorsque le ballon monte

– Le volume augmente

– La force ascensionnelle est constante

• Lorsque le ballon est plein, le gaz commence a s’échapper

– Le ballon cesse de monter

• Si le soleil apparaît:

– Le gaz chauffe, se dilate et s’échappe du ballon

• Si le soleil se couche:

– Le gaz se refroidi et le ballon descend

– Il faut lâcher du lest pour remonter

Altitude pression T Vent(m) (hPa) (°C) km/hSol 1000 -15 6 2 000 850 -10 20 4 000 500 -36 12 8 000 250 -60 3013 000 100 -64 7519 000 50 -70 13025 000 20 -75 20029 000 10 -63 24034 000 5 -21 25038 000 3 +20 250

Le ballon stratosphérique ouvert

Ballon de 600 000 m3 Charge d’hélium : 2 000 m3Force ascensionnelle : 2.5 t ( Nacelle 500kg ballon 1.5t)

Altitude maximum: 35 à 40 km

•Connaissance des vents dans la Connaissance des vents dans la stratosphèrestratosphère

•Modèles de circulation des masses d ’airModèles de circulation des masses d ’air• Sondage avec des petits ballonsSondage avec des petits ballons

Prédiction des trajectoires

Trajectoire

2 vols Archeops en 2001 vol 1 : problème technique sur l’instrumentvol 2 : 6 heures de données (trop de vent)

2 vols Archeops en 2002 vol 3 : problème technique sur le ballonvol 4 : 22 heures de vol et 12 heures de données (février)

Vol Archeops 7-8 février 2002

Récupération de la nacelle

En Finlande

En sibérie

• Balayage du ciel en continu: rotation de la nacelle sur elle-même

– Pointage fixe avec une élévation de 41°

• Reconstruction du pointage pointage sur les étoiles

– ‘ Petit ’ télescope optique de 40cm avec une barrette de photodiodes

– Logiciel permettant après coups de reconnaître les étoiles vues

• Aide pour la reconstruction: GPS, gyroscopes, magnétomètre

– Le GPS permet d ’avoir la position du ballon

– Les gyroscopes permettent de connaître la vitesse de rotation et les balancements

– Le magnétomètre permet de se recaler sur le nord magnétique

Le pointage de la nacelle

Pointage avecle senseur stellaire

Jupiter observé partous les bolomètres

vitesse de rotation: ± 8%

élévation: ± 20 arc min

Reconstruction du pointage après le vol

Mesures brutes une rotationde la nacelle

temps (sec)

143 GHz

217 GHz

545 GHz

Galaxie

dipole cosmologique

Bruit atmosphérique

Carte Archeops du rayonnement fossile

Algorithmes permettant d’éliminer les bruits parasites

Utilisation des redondances (même point du ciel observé plusieurs fois)

Projection suivant le plan galactique (voie lactée)

Lumière provenant de notre galaxie

Fluctuations du rayonnement fossile

Zone observée par Archeops : environ 30% du ciel

Mesure de l’amplitude des fluctuations

10 5 2 1 0.5 0.2 angle (degré)

En fonction de la distance angulaire sur le ciel

Densité de fluctuations projetée sur les harmoniques sphériques

Comparaison avec le modèle

10 5 2 1 0.5 0.2 angle (degré)

En fonction de la distance angulaire sur le ciel

Densité de fluctuations projetée sur les harmoniques sphériques

Différentes mesures au sol et en ballon

Comparaison avec les expériences satellite

Mesures Archeops et WMAP (2003) Sensibilité prévue pour Planck (2007)

ballon Archeops 12hsatellite WMAP un an

Sensibilité calculée pourLe satellite Planck un anx

Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration

La mission Planck1m50 ø télescope Résolution jusqu’à 5’

2 instruments :

Low Frequency Instrument30 to 70 GHz @ 20 K

High Frequency Instrument100 to 857 GHz @ 0.1 K

ESA mission : premier satellite européen dédié à l'étude du CMBHFI PI : J.-L. Puget (France)LFI PI : N. Mandolesi (Italy)

sensibilité de 2 10-6 T/ T

Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration

depuis le point de Lagrange L2dans l’ombre de la Terre

Lancement et orbiteLancement commun avec Herschel de Kourou par Ariane VPrévu for fin été 2008

Herschel

Planck

Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration

Le télescope

Credits : ESA

o off-axis aplanic designo 2 réflecteurs elliptiqueso 1.5 m projeté

optimisé pour un plan focal large & une polarisation intrinsèque minimale

T de fonctionnement

~ 50 K

L’architecture thermiquedu satellite

Dilution 3Helium/4Hélium

Refroidissement passif

Réfrigérateur à hydrogène(compresseur à absorption)

Réfrigérateur à hélium(compresseur mécanique)

Une successionde 5 étages

de refroidissement

Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration

Credits : ESA- AOES medialab

Le plan focal

Les détecteurs sont placés au foyer du télescope. Chacun observe une portion du ciel particulière.

Les + gros : taille angulaire de la LuneLes + petits : 6 x moins

20 K 0.1 K

In 10-6

In 10-6

Rayonnement fossile

Diagramme d’exclusion

ΩM Ω

Valeur de ΩM Ω permises par les différentes expériences

ΩM = Quantité de matière (total baryons + matière noire)

Ω = Quantité d'énergie (constante cosmologique)

ΩM : Masse de matière (ordinaire + noire)

Ω

Amas de galaxies

Ω = 0.7

ΩM = 0.3

En

ergie noire

De quoi est formé notre Univers ?

Toutes les mesures donnent des résultats cohérents(ce qui n’était pas les cas il y a 5 ou 10 ans !)• L’Univers est plat : masse totale = masse critique 2%• La matière ordinaire (baryons) ne représente

qu’une faible fraction de la masse totale 4%

• Il existe de la matière noire (non baryonique) 26 %• Il y a un terme d’énergie qui fait accélérer l’expansion 70 %

Conclusion

On a beaucoup avancé ces dernières années grâce à des observations plus précisesToutes (presque) les mesures donnent des résultats cohérents avec le modèle !

Questions ouvertes:• Le modèle d’Univers avec matière noire et constante cosmologique est-il le bon ?• Quelle est la nature de cette matière noire

Nombreuses expériences de détection directe en cours• Qu’en est-il de la constante cosmologique ?

On trouvera peut-être un autre modèle pour expliquer l’expansion accélérée• Comprendre les modèles d’inflation

L’histoire n’est pas finie:Il faut faire d’autres observations

Détection directe de la matière noire

Si la matière noire se trouve sous forme de WIMP’sAlors, on devrait pouvoir l’observer directement

• On connaît la densité de WIMP’s autour de la terreCes particules traversent la terre de part en part !

• Les théories nous donnent les propriétés de ces particules• Avec un détecteur de 1 kg, on attend moins d’un choc par mois

• Problème:Rayonnement parasite: - rayons cosmiques

- radioactivité naturelle

• Solution:• Utiliser un site souterrain protégé des cosmiques• Contrôler les matériaux (basse radioactivité)• Protection supplémentaire en plomb et polyéthylène• Utiliser un détecteur avec discrimination (séparation gamma - neutrons)

L’expérience EDELWEISS

Cristal de germanium a T=10mK

• Mesure simultanée de chaleur et d'ionisation

• Séparation entre interactions nucléaires et électroniques

CEA-Saclay DAPNIA/DRECAM / CRTBT Grenoble / CSNSM Orsay

IAP Paris / IPN Lyon / Laboratoire souterrain de Modane

Un cryostat à dilution:

200 kg à une température de 10 mK Dans le tunnel du Fréjus à Modane

Protection plomb et polyéthylène

HorizonC’est la distance maximum parcourue par la lumière depuis l’origine de l’Univers

Deux points plus éloignés que l’horizon ne peuvent pas échanger d’information

Pourquoi seraient-ils à la même température ??

Univers presque plat : masse peu différente de la masse critiqueFaible masse Ω < 1 l’expansion est rapide La masse diminueForte masse Ω > 1 l’expansion ralentit La masse augmente

C’est une situation instable

Si aujourd’hui, Ω ≈ 1 alors il faut Ω -1 < 10-16 à t=1sCela ne peut pas être une coïncidence

expansion accélérée de façon exponentielle

Cela règle tous les problèmes !!

Problèmes: horizon et platitude

Inflation

On rajoute, au début de l’expansion ( t=10-30 s) un épisode d’inflation

Performances du bolomètre

C

Pray

T0

T

g

• Thermomètre:

– Résistance semi-conducteur dopé

– Résistance supraconductrice

• Grande variation de la résistance avec la température

• Contrôler le courant de mesure: puissance inférieure au rayonnement mesuré

• Contrôler la fuite thermique -> bonne sensibilité

• Contrôler la chaleur spécifique -> temps de réponse rapide

• Limité par le bruit thermodynamique

Baisser la température

Typiquement T = 0.1 Kelvin (100mK)

• Miroirs– Miroir en aluminium brut d’usinage

– Précision 15 micron RMS

• Cônes ou lentilles– Définition du faisceau

– Suppression des signaux parasites latéraux

• filtres– Définition de la bande spectrale

– Suppression du rayonnement haute fréquence

– puissance en T4 soit Atténuation > 108

Optique millimétrique