Paris, 30 janvier 2008

Une nouvelle lumière sur l'énergie sombre
L'accélération de l'expansion de l'Univers est un phénomène pour l'instant inexpliqué. Ce mystère pourrait être levé grâce à une nouvelle méthode mise au point par une équipe internationale de chercheurs, dont plusieurs appartiennent à des laboratoires associés au CNRS(1). Pour cela, les scientifiques ont, pour la première fois, mesuré la position et la vitesse de plus de 10 000 galaxies dans l'Univers lointain(2). Cette campagne d'observation a été menée via l'instrument VIMOS(3), dont le responsable est Olivier Le Fèvre, directeur du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM, CNRS / Université de Provence / Observatoire astronomique Marseille Provence). Non seulement cette méthode inédite apporte des informations précieuses sur la nature de l'énergie noire, mais elle ouvre aussi de nouvelles perspectives sur l'identification de l'origine de l'accélération cosmique. Elle fait l'objet d'une publication dans Nature le 31 janvier.
L’expansion de l’Univers est actuellement plus rapide qu’elle ne l’était par le passé. Mais, cette accélération ne peut s’expliquer avec les lois fondamentales de la physique sans émettre de nouvelles hypothèses. Parmi les plus probables, deux sont aujourd’hui particulièrement étudiées, à savoir :

- soit l’Univers est rempli d’une mystérieuse énergie sombre produisant une force répulsive qui contrebalance le freinage gravitationnel produit par la matière contenue dans l’Univers ;

- soit la théorie de la gravitation n’est pas correcte et doit être modifiée, en ajoutant par exemple des dimensions supplémentaires à la description de l’espace.

Or, les observations actuelles du taux d’expansion de l’Univers ne permettent pas de trancher entre ces deux options.

Une collaboration internationale, composée de 51 scientifiques répartis dans 24 institutions, a découvert une nouvelle méthode qui pourrait aider à résoudre ce problème. « Nous avons montré que les sondages qui mesurent les positions et les vitesses des galaxies distantes offrent une nouvelle approche pour percer ce mystère. » déclare Luigi Guzzo, coordinateur de l’étude.

Sonder des galaxies il y a 7 milliards d’années, une première

La technique est basée sur un phénomène bien connu : le déplacement des galaxies résulte de la somme de l’expansion globale de l’Univers (qui éloigne les galaxies les unes des autres), et des effets dus à la matière présente dans l’environnement local. « À partir des vitesses d’un grand échantillon de galaxies, observées 7 milliards d’années dans le passé, nous avons reconstitué la structure en trois dimensions d’un volume important de l’Univers lointain et ainsi observé la distribution des galaxies dans l'espace 3D(4) » indique Olivier Le Fèvre, l’un des co-auteurs de l’article et responsable de l’instrument VIMOS(5), avant de préciser que « les vitesses contiennent également une information sur le déplacement relatif local des galaxies. Ce dernier introduit des distorsions, petites mais mesurables, par rapport à leur déplacement global. La mesure de ces distorsions est une façon de tester la nature de l’énergie sombre. » Ce sont donc ces différences qui dévoilent aux chercheurs des informations sur les composants de l’énergie noire.

Besoin de 70% d’énergie noire pour modéliser l’Univers
Les mesures obtenues soulignent la nécessité d’ajouter un ingrédient supplémentaire d’énergie dans la "soupe cosmique" à partir de laquelle l'ensemble de notre Univers a évolué au cours du temps. Cette conclusion renforce l’hypothèse émise ces dix dernières années, selon laquelle il serait nécessaire de prendre en compte, dans les modèles, une forme simple d’énergie sombre identifiée à la constante cosmologique, introduite par Albert Einstein. Avec cette nouvelle méthode, les scientifiques parviennent au même chiffre que les études précédentes, indiquant que l’énergie sombre compose 70% de l’Univers.

Ces mesures n’auraient pu être possibles sans le concours du spectrographe VIMOS installé sur Melipal(6), l’un des quatre télescopes du VLT de l’ESO. Elles s’inscrivent dans le cadre du sondage VIMOS VLT Deep Survey (VVDS). Le VVDS, dont Olivier Le Fèvre est le responsable scientifique, a permis d’observer le spectre de plus de 10 000 galaxies dans un champ de 4 degrés carrés (20 fois la taille de la pleine Lune), remontant à des époques allant jusqu’à plus de la moitié de l’âge de l’Univers (soit environ 7 milliards d’années dans le passé).

Enfin, les simulations effectuées à partir des données VVDS mettent en évidence que la technique que les chercheurs ont utilisée, appliquée à des sondages explorant des volumes dix fois supérieurs à celui couvert par le VVDS, pourra permettre de déterminer efficacement l’origine de l’accélération cosmique : provient-elle d’une forme d’énergie sombre d’origine exotique ? ou, une modification des lois de la gravitation est-elle nécessaire ?. Les résultats encouragent donc les chercheurs à poursuivre l'exploration de l'Univers par des sondages encore plus ambitieux.

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Paris, 26 avril 2011

Le chasseur d'antimatière AMS rejoint l'espace
Le détecteur de particules AMS, fruit d'une collaboration internationale qui implique le CNRS pour la partie française, décollera le 29 avril à l'occasion du tout dernier vol de la navette spatiale. Il rejoindra ensuite la station spatiale internationale, son poste d'observation définitif, pour explorer quelques-unes des plus grandes énigmes de l'Univers, comme la recherche de l'antimatière et de la matière noire.
Aux origines, le big bang aurait créé autant de matière que d'antimatière. Par exemple, à tout noyau d'helium  « fabriqué » au début de l'Univers, correspondrait un noyau d'anti-helium. De même, la plupart des  particules disposent  d'une antiparticule jumelle, avec les mêmes propriétés mais de charge opposée. Or notre Univers est dominé par la matière ;  la seule antimatière observée jusqu'à présent est produite uniquement dans les interactions de haute énergie (comme l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère, ou lors d'expériences menées avec des accélérateurs de particules). Mais l'antimatière primordiale, celle des origines, est jusqu'à présent restée introuvable. A-t-elle disparu ? Si oui, pourquoi ?
Tenter de retrouver la moitié disparue de l'Univers, c'est l'une des principales missions de l'expérience AMS (Spectromètre Magnétique Alpha) qui s'envolera le 29 avril pour la station spatiale internationale. Pendant plus de dix ans, elle traquera les rayons cosmiques à la recherche de l'antimatière, mais aussi de la matière noire.

AMS est le fruit d'une large collaboration internationale réunissant près de 600 chercheurs,  avec une très importante participation européenne. Le détecteur a été assemblé sur le site français du CERN, l'organisation européenne pour la recherche nucléaire. C'est également là que se trouvera le centre scientifique de traitement des données d'AMS.
La France a joué un rôle majeur dans la conception et la réalisation de plusieurs parties de cet instrument, à travers quatre laboratoires du CNRS (1)  :
- le LAPP à Annecy-le-Vieux (CNRS - Université de Savoie) pour le calorimètre électromagnétique
- le LPSC à Grenoble (CNRS - Université Joseph Fourier - Grenoble INP) pour le détecteur Cherenkov à imagerie annulaire,
- le LUPM à Montpellier (CNRS - Université Montpellier 2) pour la responsabilité complète du système GPS spatial
- et le Centre de Calcul de l'IN2P3 (2) du CNRS, qui a fourni une bonne partie des ressources informatiques pour la simulation de l'expérience et la préparation de la physique.
De nombreuses industries françaises ont également contribué à la réalisation du détecteur.

Sylvie Rosier Lees dirige les équipes françaises de la collaboration AMS. Pour cette physicienne, «AMS est un détecteur de particules utilisé un peu comme un télescope. Mais plutôt que de capter la lumière en provenance des étoiles pour mieux comprendre l'Univers, AMS identifiera les particules chargées tels les protons, électrons et noyaux atomiques qui bombardent sans cesse notre planète».

En traquant les particules qui nous parviennent de l'espace et en les étudiant avec une très grande précision, AMS sera capable d'identifier un noyau fait d'antiparticules au milieu d'un milliard d'autres particules. «Cela revient à chercher une aiguille dans une botte de foin», déclare Jean Pierre Vialle, l'un des fondateurs de l'expérience AMS en France, «mais si on la trouve, cela révélera qu'il existe sans aucun doute des étoiles constituées d'antimatière quelque part dans l'Univers, une véritable révolution !»

AMS pourrait également percer le mystère de la matière noire, une composante invisible et mystérieuse de notre Univers et qui représenterait de l'ordre de 83% de sa masse totale. Si cette matière noire était composée de nouvelles particules, AMS pourrait la détecter de manière indirecte en enregistrant  une anomalie dans le flux de rayons cosmiques.

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Paris, 21 mars 2013

Planck dévoile une nouvelle image du Big Bang
Lancé en 2009, Planck, le satellite de l'Agence spatiale européenne (ESA) dédié à l'étude du rayonnement fossile, livre aujourd'hui les résultats de ses quinze premiers mois d'observations. Ils apportent une moisson de renseignements sur l'histoire et la composition de l'Univers : la carte la plus précise jamais obtenue du rayonnement fossile, la mise en évidence d'un effet prévu par les modèles d'Inflation, une révision à la baisse du rythme de l'expansion de l'Univers, ou encore une nouvelle évaluation de la composition de l'Univers. Bon nombre de ces données ont été obtenues grâce au principal instrument de Planck, HFI, conçu et assemblé sous la direction de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) avec un financement du CNES et du CNRS.
Depuis sa découverte en 1965, le rayonnement fossile constitue une source de connaissance précieuse pour les cosmologistes, véritable « Pierre de Rosette » permettant de décrypter l'histoire de l'Univers depuis le Big Bang. Ce flux de photons détectable sur l'ensemble du ciel, dans la gamme des ondes radio,  témoigne de l'état de l'Univers lors de sa prime jeunesse et recèle les traces des grandes structures qui se développeront par la suite. Produit 380 000 ans après le Big Bang, au moment où se formèrent les premiers atomes, il nous arrive quasi inchangé et permet aux scientifiques d'accéder à l'image de ce que fut le cosmos à sa naissance, voici environ 13.8 milliards d'années. Confronter ces mesures aux modèles théoriques peut nous apporter de multiples informations : non seulement sur l'évolution de l'Univers depuis l'apparition du rayonnement fossile, mais également sur des événements antérieurs qui en sont la cause et pour lesquels les astrophysiciens disposent de peu d'observations.

Une nouvelle carte du rayonnement fossile

C'est l'une de ces fenêtres sur l'Univers primordial que vient d'ouvrir la mission Planck. Lancé en 2009, ce satellite de l'ESA a, durant un an et demi, dressé une carte de ce rayonnement fossile sur l'ensemble du ciel. Planck possède deux instruments dont l'un, l'Instrument haute fréquence HFI, a été conçu et assemblé sous la direction de l'Institut d'Astrophysique Spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) avec un financement du CNES et du CNRS. Grâce à eux, il a pu mesurer avec une sensibilité sans précédent les variations d'intensité lumineuse de l'Univers primordial, venant affiner les observations des missions spatiales COBE (lancée en 1990) et WMAP (en 1998). Ces variations d'intensité lumineuse (qui se présentent sous la forme de taches plus ou moins brillantes) sont précisément l'empreinte des germes des grandes structures actuelles du cosmos et désignent les endroits où la matière s'est par la suite assemblée, puis effondrée sur elle-même, avant de donner naissance aux étoiles, galaxies et amas de galaxies.
 
Selon certaines théories, l'origine de ces « grumeaux » ou « fluctuations » du rayonnement fossile est à chercher du côté de l' « Inflation », un évènement survenu plus tôt dans l'histoire de l'Univers. Durant cet épisode, très violent, qui se serait déroulé environ 10-35 secondes après le « Big Bang », l'Univers aurait connu une brusque phase d'expansion et aurait grossi de manière considérable, au moins d'un facteur 1026. Planck a permis de démontrer la validité de l'une des prédictions essentielles des théories d'Inflation : l'intensité lumineuse des « fluctuations à grande échelle » doit être légèrement supérieure à celle des « fluctuations à petite échelle ». En revanche, pour les plus grandes échelles, l'intensité observée est inférieure de 10% aux prédictions de l'Inflation, un mystère qu'aucune théorie ne parvient à expliquer aujourd'hui. Planck confirme par ailleurs avec certitude l'existence d'autres anomalies observées par le passé comme une mystérieuse asymétrie des températures moyennes observées dans des directions opposées ou l'existence d'un point froid.

Les données de la mission nominale de Planck font l'objet d'une trentaine de publications simultanées disponibles le 21 mars 2013 sur http://sci.esa.int, puis le 22 mars 2013 sur www.arxiv.org.
Parmi ces autres résultats :
-    La confirmation de la « platitude » de l'Univers
-    La révision à la baisse de la constante de Hubble, et donc du rythme d'expansion de l'Univers
-    Une nouvelle évaluation, à partir du seul rayonnement fossile, de la composition de l'Univers : 69.4 % d'énergie noire (contre 72.8 % auparavant), 25.8 % de matière noire (contre 23 %) et 4.8 % de matière ordinaire (contre 4.3 %).
-    Des cartes inédites précieuses pour affiner le scénario de l'histoire de l'Univers et comprendre la physique qui régit son évolution : elles permettent de montrer comment se répartissent la matière noire et la matière ordinaire sur la voûte céleste ; le « fond diffus infrarouge » correspond quant à lui à la lumière émise par les poussières de toutes les galaxies au cours des dix derniers milliards d'années et permet donc d'identifier les zones où se sont concentrés les objets constitués de matière ordinaire.
-    Une première analyse de la polarisation du signal cosmologique, qui montre que les données de Planck sont remarquablement cohérentes avec celles sur l'intensité du rayonnement fossile aux échelles correspondantes aux futurs amas de galaxies ; une analyse plus complète sera fournie en 2014, ainsi que d'autres résultats de la mission Planck.

La contribution de la recherche française dans la mission Planck

La France est leader de l'instrument haute fréquence Planck-HFI, essentiel pour les résultats cosmologiques : sa construction a coûté 140 millions d'euros et mobilisé 80 chercheurs de dix laboratoires du CNRS, du CEA et d'universités, ainsi que de nombreux ingénieurs et techniciens. La France a assuré plus de 50% du financement de cette construction ainsi que celui du traitement de ses données : ce financement provient pour moitié du CNES, pour moitié du  CNRS et des universités. Elle participe également au financement de la mission elle-même via sa contribution financière au programme scientifique de l'ESA, soit 15% du coût de la mission.

Une contribution française essentielle au projet Planck a été la fourniture du système de refroidissement à 0.1 degrés au-dessus du zéro absolu de l'instrument HFI. Ce système, qui a fait l'objet d'un  brevet CNES, a été inventé par Alain Benoît (CNRS), de l'Institut Néel (ce qui lui a valu la médaille de l'innovation 2012 du CNRS) et développé par la société Air Liquide. Grâce à cette innovation, la caméra HFI détient le record de froid pour un instrument spatial, avec un cryostat refroidi pendant près de mille jours à -273,05°C.
(http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2679.htm).

L'exploitation des résultats scientifiques est assurée majoritairement par le CNRS, avec notamment Jean-Loup Puget (de l'IAS), « Principal Investigator » d'HFI, et François Bouchet (de l'IAP), « Co-Principal Investigator ».

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Paris, 13 novembre 2012

Des astrophysiciens mesurent la décélération de l'expansion de l'Univers primitif
Des astrophysiciens du projet SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey), composé en grande partie de chercheurs français, ont effectué la première mesure du taux de l'expansion de l'Univers jeune, âgé de seulement trois milliards d'années, alors que la gravité freinait encore son expansion, avant sa phase actuelle d'expansion accélérée par l'Énergie Noire. Ils ont utilisé pour cela une nouvelle technique permettant de dresser une carte en trois dimensions de l'Univers lointain. Ce résultat est en ligne sur arXiv.org.
Hubble et Lemaître ont mis en évidence l'expansion de l'Univers dans les années 1920 en procédant à deux types de mesures pour un même ensemble de galaxies : la distance entre ces galaxies et nous, ainsi que la vitesse de ces galaxies (en utilisant l'effet Doppler sur les raies de leurs spectres).

Leurs observations sont à l'origine du modèle "standard" actuel de la cosmologie. Au début de l'histoire de l'Univers, cette expansion s'est ralentie continûment, sous l'effet de la gravitation de matière et de la radiation. Mais depuis cinq milliards d'années, ce comportement s'est inversé : l'expansion s'est mise à accélérer, sous l'effet d'une mystérieuse force répulsive produite par "l'énergie sombre". Des expériences en cosmologie ont permis d'observer cette période d'accélération récente, mais jusqu'ici pas la décélération primitive de l'Univers. Réussir à mesurer cette décélération exige de remonter aux premiers milliards d'années de son histoire, de remonter loin dans le temps, donc d'observer loin dans l'espace. Pour cela, des galaxies ne suffisent plus : à des distances aussi élevées, leur luminosité devient trop faible.

Pour contourner le problème, les astrophysiciens du Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III)1 , composé notamment de chercheurs français, se sont donc intéressés aux quasars, des astres lointains et extrêmement brillants. Lorsqu'on mesure le spectre d'un quasar, on voit non seulement sa lumière mais aussi l'absorption résiduelle du gaz intergalactique entre le quasar et nous. Les astrophysiciens ont pu ainsi étudier la distribution du gaz intergalactique et y détecter des nuages d'hydrogène, pour reproduire sur eux une expérience similaire à celle d'Hubble et Lemaître sur les galaxies.

Pour appliquer efficacement cette technique de mesure innovante de SDSS-III, dite de la « forêt Lyman-alpha », encore fallait-il pouvoir disposer d'un très grand nombre de quasars, et dresser ainsi une carte de l'univers lointain et en trois dimensions. C'est le groupe français de SDSS, en partie financé par l'ANR, qui s'est principalement spécialisé dans la recherche, l'étude et la sélection des quasars à observer. Le premier catalogue de la collaboration a été publié mi-octobre et contient 89 000 quasars.

L'étude a porté ensuite sur 50 000 de ces quasars. Elle résulte principalement du travail de chercheurs du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris), de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu, CEA Saclay) et de l'Institut d'Astrophysique de Paris (CNRS/UPMC), en collaboration avec le reste du groupe SDSS-France (le LAM2, le CPPM3 et l'Institut Utinam4) et l'ensemble de l'équipe SDSS-III.

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