F2 : Du Big Bang à l’Univers du futur

La cosmologie est l’étude de l’Univers dans ses plus grandes dimensions et de son évolution. Dans le modèle à succès du big bang, l’Univers primitif est chaud et dense et se refroidit au fur et à mesure de son expansion. La question du statut de la singularité originelle (le big bang) dont est issu l’espace est centrale. Elle peut être étudiée à travers les ondes gravitationnelles produites immédiatement après le big bang, par exemple pendant une phase explosive d’expansion, connue sous le nom d’inflation, qui suit immédiatement le big bang.
L’étude de l’expansion de l’Univers a récemment montré une accélération inattendue dans les étapes plus récentes de l’évolution, qui est attribuée à une nouvelle forme d’énergie, connue sous le nom d’énergie sombre. Comprendre la nature de l’énergie noire et le destin de l’Univers est une autre question fondamentale.

Bien que ces questions scientifiques soient spécifiques à la compréhension de l’Univers primitif et de son évolution ultérieure, les méthodes utilisées ont des applications d’une grande portée. Par exemple, dans le contexte du Campus spatial, les équipes de l’IPGP et de l’APC se sont rendu compte qu’elles utilisent des méthodes similaires pour analyser les données sismiques sur la surface de la Lune et les fluctuations du fond des micro-ondes cosmiques (CMB) : dans les deux cas, les fluctuations sur une sphère. De plus, la cosmologie exige le traitement de quantités de données de plus en plus grandes. Par exemple, les observations sur 10 ans par le télescope LSST (qui effectue de grands levés du ciel pour comprendre les propriétés de l’énergie sombre) nécessiteront une base de données brutes de 60 PetaBytes. Le traitement d’une telle quantité de données est un défi qui positionnera le domaine à un endroit très central pour le traitement de quantités massives de données.

Nous avons identifié un certain nombre d’axes :

1. Soutien au Centre de Physique Cosmologique de Paris (PCCP)

Toutes les questions fondamentales énumérées ci-dessus sont traitées par le Centre de Physique Cosmologique de Paris (PCCP : http://www.pariscosmo.fr). Nous avons souligné précédemment que les objectifs du PCCP sont très similaires à ceux annoncés par le LabEx, bien que le PCCP soit plus ciblé sur le plan thématique, mais dispose d’un plus grand nombre de laboratoires. Le LabEx soutient le Centre en fournissant un poste postdoctoral (PCCP fellow) chaque année, ainsi qu’en finançant les visites de scientifiques à haute visibilité internationale par le biais d’un programme spécial UnivEarthS-PCCP.

2. Polarisation en mode B du fond diffus cosmologique

 

La mesure des modes de polarisation B du Cosmic Microwave Background (CMB) peut fournir une sonde directe des ondes gravitationnelles primordiales produites pendant l’époque inflationniste. Mesurer précisément la polarisation du CMB est donc la prochaine frontière passionnante. Sa caractérisation sera encore améliorée par la mission satellite Planck (lancée le 14 mai 2009). La faiblesse du signal en mode B nécessite le développement d’une expérience très sensible avec un contrôle précis des erreurs systématiques. La plupart des expériences ou projets dédiés à la quête sont basés sur la technologie bien connue de l’imagerie directe. Alors que les imageurs mesurent les cartes du CMB, les interféromètres mesurent directement les composantes de Fourier des paramètres de Stokes et sont donc moins sensibles aux effets systématiques.

Malheureusement, le concept classique de l’interférométrie hétérodyne classique peut avoir atteint ses limites en termes d’échelle et de sensibilité. Cependant, l’interférométrie bolométrique pourrait combiner les avantages de l’interférométrie en termes de traitement systématique des effets et ceux des détecteurs directs en termes de sensibilité.
Bien que de nombreuses expériences soient déjà proposées aux Etats-Unis (au sol et en ballon), un seul projet émerge en Europe, le programme QUBIC soutenu par une collaboration franco-italienne-USA-UK-Irlandaise (http://www.qubic.org). L’équipe d’APC CMB, y compris son laboratoire expérimental, dirige cet effort de recherche.

L’objectif est de réaliser en 4 années une conception complète de l’instrument final, ce qui signifie qu’il est nécessaire de développer toute la chaîne de détection et de choisir entre les 2 solutions possibles sur lesquelles nous travaillions (KIDS et TES). Nous devons également construire un prototype du premier module dans un délai de 2 ans afin d’effectuer les premières observations sur le ciel et par conséquent d’accorder et d’améliorer le comportement de ce premier module. Nous avons l’intention de mettre les contributions LABEX sur le développement des KIDs et sur la conception et la conception de l’instrument qui est maintenant bien établi mais qui nécessite encore un effort important dans les aspects d’analyse des données. La description du concept est sur le processus à publier et disponible sur les archives :’QUBIC : L’interféromètre bolométrique QU pour la cosmologie’, E. Battistelli et al. astro-ph 1010.0645,  AstroParticle Physics.

3. Comprendre la nature de l’énergie sombre

 

L’autre sous-ensemble de travaux a une chronologie différente : il s’agit de l’analyse de données d’expériences à la recherche de la nature de l’énergie sombre. Ils sont basés sur des enquêtes à grande échelle qui nécessitent de stocker et d’analyser des quantités massives de données. Le Centre François Arago, avec le centre de calcul IN2P3 à Lyon, jouera un rôle important dans cette tâche difficile. Les travaux proposés ont consisté d’abord à identifier les besoins exacts en matière de stockage et de traitement des données (2011-2014) et ensuite à participer à la mise en place d’un centre international pour l’énergie noire, comme déjà prévu aux Etats-Unis par la collaboration LSST (2015-2020).

Des progrès dans ce domaine sont attendus tant sur le plan théorique que sur le plan de l’observation.

Du côté théorique, des modèles alternatifs de l’énergie sombre sont examinés, ainsi que d’éventuelles modifications de la gravité sur de grandes distances. Les deux directions devraient être suivies, étant donné que l’énergie sombre n’est actuellement connue que par ses effets gravitationnels. Par conséquent, les observations conduisant à déduire son existence peuvent également être expliquées par des changements dans les lois gravitationnelles à des distances cosmologiques. Il existe de nombreux modèles qui remplacent une simple constante cosmologique par un nouveau contenu sombre plus ou moins exotique de l’Univers, mais aucun modèle de modification à grande distance de la gravité n’est connu.

Les groupes de théorie APC et LUTh sont impliqués dans les deux directions, avec une expertise particulière sur l’étude des modifications à grande distance de la gravité à APC. De nouvelles propositions dans ce sens ont été faites récemment par les théoriciens d’APC et sont actuellement à l’étude.

D’un point de vue observationnel, la compréhension de l’énergie sombre exige une caractérisation plus précise des propriétés de cette énergie sombre et des tests de relativité générale standard. Deux familles complémentaires de mesures doivent être poursuivies, puisqu’elles permettent de différencier la gravité modifiée de l’énergie sombre stricto sensu : les mesures du taux d’expansion de l’Univers et de son évolution, et la mesure de la croissance des structures, dont le rythme est ralenti par l’énergie sombre.
Pour chacune de ces mesures, plusieurs techniques complémentaires doivent également être utilisées : la précision extrême requise pour ces observations exige de contrôler soigneusement les dégénérescences et les effets systématiques, qui affecteront les différentes sondes de différentes manières.

APC participe à plusieurs projets d’observation à court et à long terme en utilisant plusieurs techniques de caractérisation de l’énergie sombre, par l’entremise de son groupe d’astronomie à grand champ. Elle participe également au projet Planck (voir ci-dessus) et pourra utiliser les données du CMB en corrélation avec d’autres enquêtes de terrain.

A plus long terme, APC se concentre sur le grossissement cosmique, une autre façon d’exploiter la lentille gravitationnelle que la mesure de cisaillement plus courante – cette technique est très bien adaptée à la profondeur des futurs relevés. La préparation des analyses futures se fait actuellement sur les données SDSS, et APC prévoit d’appliquer cette technique aux données LSST et Euclid.

LSST (Large Synoptic Survey Telescope) est un télescope proposé avec un miroir principal de 8,4 m de diamètre, qui devrait obtenir ses premières images scientifiques en 2019. Il sera situé au sommet du Cerro Pachón au Chili, qui abrite déjà le télescope Gemini Sud. La caméra a une mosaïque de 200 CCDs 4k x 4k, totalisant 3,2 milliards de pixels, avec un champ de vision de dix degrés carrés. Ce projet dirigé par Anthony Tyson de l’Université de Californie, Davis a été classé par l’Astronomy and Astrophysics Decadal Survey “New Worlds and New Horizons in Astronomy and Astrophysics” comme sa priorité absolue pour la prochaine grande installation astronomique au sol. Euclid, un projet spatial proposé par un consortium européen (dirigé par Alexandre Refregier du CEA/IRFU/SAp) est l’instrument parfait pour mesurer la lentille gravitationnelle et la BAO.

Les deux expériences devraient être opérationnelles vers 2019. APC est déjà fortement impliqué dans leur préparation – logiciel de contrôle de caméra et d’étalonnage photométrique pour LSST, et surtout, le traitement des données pour LSST et Euclid segment sol. Euclide est un projet spatial qui s’appuie sur des données au sol pour exploiter pleinement ses données scientifiques : Les données LSST seront un atout important dans l’exploitation scientifique d’Euclid, et APC sera chargé de fusionner les données LSST et Euclid. Comme les données LSST représenteront des dizaines de pétaoctets, le traitement des données dépendra fortement des ressources informatiques et du personnel du CC-IN2P3 et du Centre François Arago (FACe).