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Planck : nouvelles révélations sur la matière noire et les neutrinos fossiles

02/12/2014 - 14:30

La collaboration Planck, qui implique notamment le CNRS, le CEA, le CNES et plusieurs universités françaises, dévoile à partir du 1er décembre, dans une conférence internationale à Ferrare (Italie), les résultats des quatre années d’observation du satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA), dédié à l’étude du « rayonnement fossile », la plus vieille lumière de l’univers. Pour la première fois, la plus ancienne image de notre univers est mesurée précisément selon deux paramètres de la lumière, sur l’ensemble de la voûte céleste : en intensité et en polarisation.

 

En 2013, la carte des variations d’intensité lumineuse du rayonnement fossile observé par le satellite Planck avait été dévoilée. Cette carte nous renseigne sur les lieux où se trouvait la matière 380 000 ans après le Big-Bang. Grâce à la mesure de la polarisation de cette lumière, Planck est capable de voir quel était l'état de mouvement de cette matière. Notre vision de l’univers primordial devient alors dynamique. Cette nouvelle dimension et la qualité des données permettent de tester de nombreux paramètres du modèle standard de la cosmologie. En particulier, elles éclairent aujourd’hui ce qu’il y a de plus insaisissable dans l’univers : la matière noire et les neutrinos.

 

De nouvelles contraintes sur la matière noire

Les résultats de la collaboration Planck permettent à présent d’écarter toute une classe de modèles de matière noire, dans lesquels l’annihilation matière noire – antimatière noire serait importante. En effet, un tel processus d'annihilation produirait une quantité d’énergie qui influerait sur l’évolution du fluide lumière-matière, en particulier aux périodes proches de l’émission du rayonnement fossile. Or, les observations les plus récentes n’en portent pas la trace. Par ailleurs, la collaboration Planck confirme que la matière noire occupe un peu plus de 26 % de l’univers actuel (valeur issue de son analyse en 2013), et précise la carte de la densité de matière quelques milliards d’années après le Big-Bang grâce aux mesures en température et en polarisation en modes B.

 

Les neutrinos des premiers instants décelés

Les nouveaux résultats de la collaboration Planck portent aussi sur les neutrinos. Ces particules élémentaires, produites en abondance dans le Soleil par exemple, traversent notre planète pratiquement sans interaction, ce qui rend leur détection extrêmement difficile. Il n’est donc pas envisageable de détecter directement les premiers neutrinos, produits moins d’une seconde après le Big-Bang, qui sont aujourd'hui extrêmement peu énergétiques. Pourtant, pour la première fois, Planck a détecté sans ambiguïté leur effet sur la carte du rayonnement fossile.

 

Les neutrinos primordiaux décelés par Planck ont été libérés lorsque l’univers était encore opaque à la lumière mais déjà transparent à ces particules. 380 000 ans plus tard, lorsque la lumière du rayonnement fossile a été libérée, elle portait l’empreinte des neutrinos car les photons ont interagi gravitationnellement avec ces particules. Ainsi, observer les plus anciens photons a permis de vérifier les propriétés des neutrinos.

 

Les observations de Planck sont conformes au modèle standard de la physique des particules. Elles excluent quasiment l’existence d’une quatrième famille de neutrinos auparavant envisagée d’après les données finales du satellite WMAP, le prédécesseur américain de Planck. Enfin, Planck permet de fixer une limite supérieure à la somme des masses des neutrinos, qui est à présent établie à 0.23 eV (électronvolt).

 

Les données de la mission complète de Planck et les articles associés qui seront soumis à la revue Astronomy & Astrophysics (A&A) seront disponibles dès le 22 décembre 2014 sur le site de l'ESA. Ces résultats sont notamment issus des mesures faites avec l’instrument haute fréquence HFI conçu et assemblé sous la direction de l’Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) et exploité sous la direction de l’Institut d’astrophysique de Paris (CNRS/UPMC) par différents laboratoires impliquant le CEA, le CNRS et les universités, avec des financements du CNES et du CNRS.

 

Contacts à l'IAS : Jean-Loup Puget & Marc-Antoine Miville-Deschênes

Pour en savoir plus: mat!ère noire et neutrinos

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