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QUBIC, vers la validation d'un modèle pour L'Univers ?

Médiation

Média : AMA²

Thème : CMB, Inflation, Télescope QUBIC

· Médiation

J'ai eu la grande chance cette semaine de pouvoir visiter le télescope QUBIC, au laboratoire d'Astroparticules & Cosmologie de Paris Diderot. Cet instrument peu ordinaire est actuellement en cours de tests pour ensuite faire ses preuves en Argentine, où il sera mis en fonctionnement à environ 5000 mètres d'altitude.

Possédant un interféromètre bolométrique, QUBIC permet d'obtenir les rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB, pour Cosmic Microwave Background) datant d'environ 380 mille ans après le Big Bang. Pour rappel, l'Univers a environ 13.5 milliards d'années. Remonter à ces informations revient donc à obtenir les caractéristiques du cosmos au tout début de sa vie.
La particularité du télescope réside cependant dans sa mesure des "modes B", représentatifs de l'inflation : un modèle décrivant une phase de l'évolution de l'Univers.
En mettant en fonctionnement QUBIC, les chercheur.e.s souhaitent valider ce modèle, réponse à plusieurs anomalies encore inexpliquées.

L'Univers Primordial

Les connaissances quant à la formation et l'évolution primordiale de l'Univers sont à l'heure actuelle freinées par trois incohérences : le problème de l'horizon, le problème de l'Univers plat, et l'anomalie du monopole magnétique.

Le rayonnement du CMB remonte à environ 13 milliards d'années, et représente la période durant laquelle l'Univers s'est "décompactifié", laissant la lumière passer à travers la matière et circuler dans l'Univers. Comprendre le rayonnement du CMB, et valider la période dite "d'inflation", période d'extrème expansion de l'Univers, permettrait ainsi de résoudre ces trois anomalies.

La première incompréhension, le problème de l'horizon, vient du fait que l'observation du fond diffus cosmologique montre un CMB extrêmement homogène. Ainsi, les structures de l'Univers comme les galaxies, amas, ... ont dû être liées causalement par le passé, afin d'homogénéiser ce rayonnement. Cela implique qu'à une certaine époque, la lumière a dû passer d'une structure à l'autre, pour homogénéiser le signal. Le modèle de l'inflation résout ce problème.

L'anomalie de platitude, une contrainte plus qu'une anomalie, vient du fait que la contribution de la courbure de l'Univers est très petite : 0.0001. Donc l'Univers est très plat. Cependant, cette contribution de la courbure n'a fait qu'augmenter au cours du temps, ce qui signifie que l'on calcule une courbure de 10-60 au début de l'Univers, une contrainte très forte, dont on aimerait s'affranchir. L'inflation est encore une fois réponse à cette anomalie, car lors de celle-ci, la contribution de la courbure décroît très fortement dû à une expansion "ogresque".

Pour finir, la théorie d'unification des forces au début de l'Univers prévoit l'existence d'un monopole magnétique (masse magnétique ponctuelle, contrairement aux aimants par exemple, qui ont deux dipôles magnétiques1) de très grande amplitude, qui n'aurait pas dû disparaître avec le temps. Cependant, on n'en observe pas aujourd'hui. Encore une fois, les propriétés du modèle de l'inflation viennent régler ce problème.

Inflation Cosmique et évolution de l'Univers

Wikipédia, Expansion de l'Univers

1. Big Bang

2. Inflation (cosmique)

3. Découplage de la matière, formation des particules, circulation de la lumière

4. Formation des étoiles et des galaxies

L'inflation, période de très grande accélération de l'expansion de l'Univers, semble donc être de grande aide pour pallier à ces soucis de cohérence de notre Univers primordial.
Durant cette inflation, des impacts d'ondes gravitationnelles ont généré un signal polarisé en deux modes : le mode E et le mode B. La polarisation de la lumière correspond à la façon dont celle-ci vibre dans une certaine direction. Ce qu'il faut donc comprendre ici, c'est que l'inflation a induit un mode de vibration particulier du rayonnement, et c'est justement ce mode B, relique du CMB, que les scientifiques s’affairent à mesurer, notamment au travers de la construction de ... QUBIC !

Vidéo explicative de la polarisation de la lumière du CMB

Le télescope QUBIC

@NathalieBauchet, QUBIC à l'APC

Crédit : Nathalie Bauchet

Lorsque la lumière du CMB, sous forme d'ondes radio, arrive sur QUBIC, elle doit tout d'abord traverser une suite de filtres, et un polarimètre. Le signal vient alors frapper sur un premier miroir, qui envoie la lumière sur un second miroir, arrivant enfin sur le plan focal, composé de bolomètres.
Combiner l'interférométrie aux bolomètres est une technique "innovante et alternative"2.

L'interférométrie, permettant l'extraction d'informations en réceptionnant une superposition d'ondes3 créant ainsi des interférences, offre la possiblité de réduire les erreurs systématiques liées à l'instrument.

QUBIC, intérieur

Crédit : APC

Les bolomètres

@NathalieBauchet, Plan Focal, Bolomètres

Crédit : Nathalie Bauchet

Les bolomètres, petits carrés sur l'écran, situés sur le plan focal, ont une très grande sensibilité au signal. Ils permettent de mesurer l'énergie électromagnétique arrivant sur le détecteur, par sensibilité à la température reçue.
Cependant, la température espérée du rayonnement du CMB est de 2.7 Kelvin (K), soit -270.45°C. Pour pouvoir détecter un signal à une telle température, il faut rendre le plan focal de détection au moins aussi froid. C'est là qu'interviennent les "pulse-tubes", abaissant par couches successives de l'extérieur à l'intérieur, la température de QUBIC, de 300 K (26.85°C), 40 K (-233.15°C) et 1K (-272.15°C). Un réfrigérateur placé sous le plan focal continue le travail en abaissant la température de ce dernier à la valeur critique de 0.3 K (-272.85°C).

@NathalieBauchet, Pulse Tubes

Crédit : Nathalie Bauchet

Pourquoi parle t'on de "température critique" ?

Le bolomètre est un supraconducteur, c'est-à-dire qu'en dessous d'une certaine température, sa résistance devient nulle. C'est à la valeur critique 0.3 K que la résistance explose, et ainsi, une infime variation de température autour de cette valeur entraîne une explosion de la valeur de la résistance et donc une visibilité accrue du photon, qui est venu perturber la température en tappant sur le bolomètre.

L'interféromètre

Cet instrument façonné pour QUBIC fournit une figure d'interférence peu ordinaire : organisée sour forme de points. Ce mode de visionnage de l'image est peu pratique pour effectuer une carte du ciel, mais offre un avantage de taille !

Si l'on prend deux images obervées, avec des points à égales distances, on peut alors les comparer avec les images à franges usuelles. Si l'on ne retrouve pas les mêmes interférences, alors on peut mettre en évidence les erreurs systématiques liées à l'instrument lui-même.
Réaliser une carte du ciel complète pour QUBIC n'est donc pas possible, contrairement à Planck par exemple. Mais la précision du travail attendue est inégalée à l'heure actuelle.

@APC, interféromètre

Crédit : APC

QUBIC effectue ses mesures à deux longueurs d'ondes différentes (donc deux fréquences différentes, l'une étant inversement proportionnelle à l'autre) : 150 GHz et 220 GHz.

Cette double mesure permet de comparer les signaux obtenus afin de supprimer ce que l'on appelle "l'avant-plan" : les impuretés dans le signal, dues à la présence dans le cosmos de poussières, dans notre Galaxies par exemple. Ou encore le bruit lié au rayonnement synchrotron, issu du déplacement de particules dans un champ magnétique.

QUBIC est donc un télescope très prometteur en terme d'observation du rayonnement du fond diffus cosmologique. Ces informations nous remonteraient alors aux temps les plus primordiaux de notre Univers, fournissant les validations tant attendues des modèles encore hypothétiques. Un pas de plus vers la compréhension de la création et de la formation de l'Univers !

Nathalie Bauchet

1. Wikipédia, Monopole magnétique.

2. APC, La science avec QUBIC.

3. Wikipédia, Interférométrie

@APC, Logo QUBIC
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