Institut Néel CNRS Grenoble Nos interrogations sur l’Univers: le Big Bang et la matière noire Le rayonnement fossile: Une source unique d’information Instrumentation: - Expérience ballon Archeops - Satellite Planck L’écho du Big Bang Alain Benoit Institut Néel CNRS Grenoble

Physique et cosmologie Physique = description et prédiction des phénomènes Rôle 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'Univers Lentilles gravitationelles + grandes structures + supernovae Nucléosynthèse primordiale

L’expansion de l’Univers  Loi de Hubble (1930) 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 Un observateur situé ailleurs ferait les mêmes observations Evolution de l’Univers L’Univers était plus dense il y a quelque milliards d’années

L’âge de l’Univers Distance Vitesse d'éloignement 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 Notion de vitesse critique: Vitesse suffisante pour contrebalancer les forces de gravitation Masse critique de l’univers Ω < 1 expansion indéfinie Ω > 1 expansion ralentie puis contraction de l’Univers Distance Mesure directe des variations de la vitesse d’expansion L’expansion s'accélère !! Vitesse d'éloignement Il y a une force répulsive ??

Le scénario du Big Bang Si l’on remonte le temps ? Univers très dense : chaud et homogène Il a bien fallu fournir l’énergie nécessaire à l’expansion actuelle ?? 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

La masse de l’Univers 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) Effet de lentille gravitationelle Un halo de matière noire ?? jusqu'à 10 fois le diamètre de la galaxie !! Soit il y a de la matière noire Soit il faut changer la théorie de la gravitation

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

Le rayonnement fossile t=400 000 ans : découplage rayonnement / matière Avant t = 400 000 ans Température > 3000 K Plasma = noyaux + électrons + lumière Univers très chaud: opaque et lumineux Après t = 400 000 ans Température < 3000K Les noyaux et les électrons s’assemblent pour faire des atomes L’Univers est un gaz transparent 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 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 Ciel uniformément blanc ? Prédiction : Gamov 1940 Observation : Penzias et Wilson 1965

Observation du rayonnement fossile Première détection du CMB en 1965 par Penzias & Wilson « Excès de bruit » Corps noir à T = 2.72 K Emission identique à celle d’un corps chaud Longueur d ’onde (cm) Spectre du rayonnement: Mesures satellite Ballon Fusées Mesure au sol Spectre de corps noir Fréquence (GHz)

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. le ciel est tout blanc ! 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

Les observations Les fluctuations 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 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

Quelques ordres de grandeur 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°

Mesure de puissance totale Principe du bolomètre Prayonnement Mesure de puissance totale Photométrie Absorbeur Thermomètre (T) Lien thermique (G) T0 Peu sensible à la température ambiante Très sensible à basse température T - T0 = Prayonnement / G T t On mesure simplement les variations de température du bolomètre lorsque l’on balaye le ciel avec le télescope

Le bolomètre en toile d’araignée Caltech / J.P.L. Fabriqué à partir d’une membrane déposée sur silicium la grille absorbante a un diamètre de 2.6mm les poutres ont une largeur de 4m et une épaisseur de 1m. 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

Les matrices de bolomètres Assemblée de bolomètres individuels Matrice lithographiée On utilise les techniques de micro-électronique ARCHEOPS Bolomètres à antenne 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 températures Trop 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 2 protons, 2 neutrons et 2 électrons Hélium 3 2 protons, 1 neutrons et 2 électrons Mécanique classique : mêmes propriété physiques (masse légèrement différente) Mécanique quantique : statistique différente différence paire / impaire Dilution de l’Hélium 3 dans l’Hélium 4 Energie de mélange refroidissement très efficace Température : 1 kelvin 0.003 Kelvin (3 mK)

Le cryostat à dilution Les difficultés de la dilution traditionnelle Utilisée 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 Températures (Kelvin) 4.2 K 1.5 K 0.3 K 0.1 K tubes de 40 µm V > vitesse critique tubes de 0.3mm Sortie Mélange Entrée 4Hélium Entrée 3Hélium Liquide superfluide Film obtenu par neutrographie S. Pujol, M. Enderle, Institut Laue Langevin 4He --> 3He --> Seul le 3Hélium absorbe les neutrons 3Hélium noir / 4Hélium blanc

La stratégie d’observation Limiter les perturbations atmosphériques En satellite: point L2 En ballon stratosphérique (40km) Faire une carte de tout le ciel 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

L’expérience Archeops Collaboration internationale pilotée par le CRTBT Grenoble CNRS SPM-INSU-IN2P3, CEA, CALTECH/JPL(USA), QMW (U.K.), Université Rome, Université Minnesota 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

La nacelle et le cryostat Archeops Cornets d'entré a T=10Kelvin Le cryostat et sa fenêtre d'entré bolomètres a T=0.1Kelvin Bolomètre Les miroirs du télescope sur la nacelle Archeops La plaque 100mK supportant les détecteurs Le cryostat ouvert

Le ballon stratosphérique ouvert Ballon de 600 000 m3 Charge d’hélium : 2 000 m3 Force ascensionnelle : 2.5 t ( Nacelle 500kg ballon 1.5t) Altitude maximum: 35 à 40 km 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/h Sol 1000 -15 6 2 000 850 -10 20 4 000 500 -36 12 8 000 250 -60 30 13 000 100 -64 75 19 000 50 -70 130 25 000 20 -75 200 29 000 10 -63 240 34 000 5 -21 250 38 000 3 +20 250

Prédiction des trajectoires Prédire la trajectoire Connaissance des vents dans la stratosphère Modèles de circulation des masses d ’air Sondage avec des petits ballons

Lancement3

Trajectoire Vol Archeops 7-8 février 2002 2 vols Archeops en 2001 vol 1 : problème technique sur l’instrument vol 2 : 6 heures de données (trop de vent) 2 vols Archeops en 2002 vol 3 : problème technique sur le ballon vol 4 : 22 heures de vol et 12 heures de données (février)

Récupération de la nacelle En sibérie En Finlande

Le pointage de la nacelle 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

Reconstruction du pointage après le vol élévation: ± 20 arc min Pointage avec le senseur stellaire Jupiter observé par tous les bolomètres vitesse de rotation: ± 8%

Mesures brutes Tension mesurée (micro volt) une rotation de la nacelle dipole cosmologique 143 GHz 217 GHz Galaxie Bruit atmosphérique 545 GHz temps (sec)

Carte Archeops du rayonnement fossile Algorithmes permettant d’éliminer les bruits parasites Utilisation des redondances (même point du ciel observé plusieurs fois) Fluctuations du rayonnement fossile Lumière provenant de notre galaxie Projection suivant le plan galactique (voie lactée) Zone observée par Archeops : environ 30% du ciel

Mesure de l’amplitude des fluctuations En fonction de la distance angulaire sur le ciel 10 5 2 1 0.5 0.2 angle (degré) Densité de fluctuations projetée sur les harmoniques sphériques

Comparaison avec le modèle En fonction de la distance angulaire sur le ciel 10 5 2 1 0.5 0.2 angle (degré) 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 12h satellite WMAP un an Sensibilité calculée pour Le satellite Planck un an x

Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration La mission Planck 1m50 ø télescope  Résolution jusqu’à 5’ 2 instruments : Low Frequency Instrument 30 to 70 GHz @ 20 K High Frequency Instrument 100 to 857 GHz @ 0.1 K sensibilité de 2 10-6 T/ T ESA mission : premier satellite européen dédié à l'étude du CMB HFI PI : J.-L. Puget (France) LFI PI : N. Mandolesi (Italy) Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration

Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration Lancement et orbite Lancement commun avec Herschel de Kourou par Ariane V Prévu for fin été 2008 depuis le point de Lagrange L2 dans l’ombre de la Terre Herschel Planck Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration

Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration Le télescope Credits : ESA off-axis aplanic design 2 réflecteurs elliptiques 1.5 m  projeté optimisé pour un plan focal large & une polarisation intrinsèque minimale T de fonctionnement ~ 50 K Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration

L’architecture thermique du satellite Une succession de 5 étages de refroidissement Refroidissement passif Réfrigérateur à hydrogène (compresseur à absorption) Réfrigérateur à hélium (compresseur mécanique) Dilution 3Helium/4Hélium

Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration Le plan focal Credits : ESA- AOES medialab Les détecteurs sont placés au foyer du télescope. Chacun observe une portion du ciel particulière. Les + gros : taille angulaire de la Lune Les + petits : 6 x moins 20 K 0.1 K In 10-6 Blois 207 Cecile Renault on behalf of Planck collaboration In 10-6

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) Ω Rayonnement fossile Energie noire Amas de galaxies Ω = 0.7 ΩM = 0.3 ΩM : Masse de matière (ordinaire + 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 %

L’histoire n’est pas finie: Il faut faire d’autres observations Conclusion On a beaucoup avancé ces dernières années grâce à des observations plus précises Toutes (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’s Alors, on devrait pouvoir l’observer directement On connaît la densité de WIMP’s autour de la terre Ces 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 CEA-Saclay DAPNIA/DRECAM / CRTBT Grenoble / CSNSM Orsay IAP Paris / IPN Lyon / Laboratoire souterrain de Modane Cristal de germanium a T=10mK Mesure simultanée de chaleur et d'ionisation Séparation entre interactions nucléaires et électroniques Un cryostat à dilution: 200 kg à une température de 10 mK Dans le tunnel du Fréjus à Modane Protection plomb et polyéthylène

Problèmes: horizon et platitude Inflation Horizon C’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 critique Faible masse Ω < 1  l’expansion est rapide La masse diminue Forte 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=1s Cela ne peut pas être une coïncidence expansion accélérée de façon exponentielle  Cela règle tous les problèmes !! On rajoute, au début de l’expansion ( t=10-30 s) un épisode d’inflation

Performances du bolomètre 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 C Pray T0 T g Baisser la température Typiquement T = 0.1 Kelvin (100mK)

Optique millimétrique 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