Il ne s'agit pas de justifier le nom de la chronique scientifique de Sub Yu ! mais de parler
de cette photo de l'univers qui a été présentée il y a quelques jours dans tous les journaux télé : une sorte de ballon de rugby moucheté de milliers de points diversement colorés. De quoi s'agit-il ?

14 mai 2009, Kourou, Guyane française : dans le centre de tir, la tension est à son comble chez les milliers d'ingénieurs et techniciens rivés à leurs écrans de contrôle. Là-bas, sur son pas de tir, la fusée Ariane V est dressée vers le ciel. Son ogive abrite deux satellites, Herschel et Planck, qui représentent vingt ans de travail acharné pour 500 scientifiques, et un énorme espoir d'améliorer notre savoir sur l'évolution mais aussi sur la naissance de l'univers. L'échec d'un pareil lancement représenterait une catastrophe scientifique et financière. Et pourtant, tout le monde ici est fier d'avoir mis au point une fusée fiable, actuellement le plus puissant lanceur opérationnel au monde.

Le compte à rebours s'achève, les tubes d'alimentation de la fusée s'écartent de son fuselage et l'on voit sortir des tuyères des gerbes de flammes et de vapeurs brûlantes. La fusée ne bouge pas. Normal : on a mis en route le premier système de propulsion, en injectant dans la chambre de combustion des propergols liquides, oxygène et hydrogène (environ 160 tonnes), qui fournissent 120 tonnes de poussée... mais la fusée pèse huit cents tonnes. On teste pendant sept secondes le fonctionnement du moteur Vulcain. Si quelque chose ne tourne pas rond, on peut encore couper le moteur. Ce qui n'est pas le cas du deuxième système de propulsion, les propergols solides sous forme de poudre, dont sont remplis les deux réservoirs, les boosters, qui flanquent le fuselage de la fusée. Ces deux boosters, ce sont au fond deux énormes pétards, dont la combustion, une fois enclenchée, ne peut plus s'interrompre. Ces pétards vont « exploser » pendant 129 secondes, fournissant quatre-vingt-dix pour cent de la poussée nécessaire pour arracher Ariane V du sol.

La fusée s'ébranle, les respirations sont suspendues, et bientôt, un tonnerre d'applaudissements retentit. La trajectoire est parfaite, elle se courbe légèrement, les boosters sont largués. Un long voyage commence, pour placer le satellite Planck à un million et demi de kilomètres de la Terre.

Un mois plus tard, Planck est largué, stabilisé, et l'on envoie de la Terre l'ordre de mise en route d'une expérience qui va durer trente mois.

Une affaire de bolomètre

Quelle expérience ? Que renferment les flancs de Planck ? Au fond, des appareils tout bêtes, des bolomètres, qui ne sont rien d'autre que des calorimètres. Un bolomètre est constitué d'une matière absorbante qui chauffe en absorbant le rayonnement qu'il est programmé pour recevoir. Un thermomètre mesure l'élévation de chaleur. Appareils simples si l'on veut, mais d'une fantastique sensibilité. Faites-vous une idée avec la comparaison suivante : vous pouvez mesurer la chaleur d'une petite ampoule de 25 watts en posant la main dessus. Les bolomètres embarqués dans Planck sont capables de mesurer à chaque seconde, des élévations de chaleur de l'ordre du cent millionième de milliardième de watt.

Le satellite tourne sur lui-même, déplaçant sa visée d'une seconde d'arc à chaque fois, voire moins, de sorte qu'au bout d'un certain nombre de révolutions, il aura, par minces tranches successives, balayé l'univers dans toutes les directions. Depuis le début de sa mission, Planck a fourni l'analyse de deux ciels complets, on espère qu'il pourra en fournir encore deux autres avant de mourir de sa belle mort, après d'extraordinaires bons et loyaux services.

A chaque seconde donc, les bolomètres envoient leurs relevés vers la Terre. A Evry d'abord, où sont collectées les données brutes, 2600 gigaoctets à la fin de la mission. Données transmises ensuite à des ensembles de calculateurs massivement parallèles cachés dans les caves de l'Institut d'Astrophysique de Paris et celles de l'IN2P3, fameux centre de calculs à Lyon.
Après des opérations extrêmement complexes qui trient notamment les données parasites des données réelles, les ordinateurs sortent ces cartes en forme de ballon de rugby dont les premières viennent d'être diffusées (le 11 janvier dernier précisément).

Que voit-on sur ces cartes de l'univers, mille fois plus précises que celles envoyées par le satellite COBE dans les années 90 ? Bien plus précises également que celles de la sonde américaine WMAP lancée en 2001 pour étudier l'anisotropie du fond diffus cosmologique (pas d'affolement, soyez patient).

Lumière visible et micro-ondes

Pour répondre à la question, petite révision : on a tous appris que la lumière visible était une simple variété d'une catégorie d'ondes que l'on appelle électromagnétiques. En d'autres termes, rayons X, lumière visible, micro-ondes, ondes radio et radar, c'est de même nature. Toutes ces ondes ne diffèrent que par quelques paramètres, dont la longueur d'onde et la fréquence. Il se trouve que notre œil est programmé pour voir les ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est comprise entre quatre cents (violet) et sept cents (rouge) nanomètres (nanomètre : milliardième de mètre), d'où le nom de lumière visible attribué à cette tranche de longueurs d'onde. Les bolomètres du satellite Planck, eux, « voient » les micro-ondes, en gros entre 0,3 et 10 millimètres.

En d'autres termes, Planck « voit » les milieux froids, la poussière du cosmos (il y en a des quantités... industrielles !), les galaxies et amas de galaxies lointains, les électrons évoluant dans les champs magnétiques, et enfin le fond diffus cosmologique, qui émettent tous un rayonnement dans cette fourchette de longueurs d'onde.

Le but ultime est d'analyser le fond diffus. Qu'est-ce que c'est ? Il s'agit de la plus ancienne « lumière » (non visible par nos yeux) émise par l'univers, précisément 380 000 ans après le big bang. En d'autres termes, la cartographie de l'univers en forme de ballon de rugby que vient de nous envoyer Planck, représente, dans ses parties marron, l'univers tel qu'il était il y a 13,7 milliards d'années. Sacrée remontée vers le passé, exploration de l'enfance de notre univers !

Si vous regardez la photo-ballon de rugby fournie par Planck à partir des émissions en micro-ondes de l'univers, vous distinguez d'abord une ligne horizontale très vive qui partage le ballon en deux. Elle représente notre galaxie, la Voie lactée. Au dessus et au dessous, la couleur bleue représente les galaxies et amas de galaxies lointains ainsi que les poussières. Aux bords du ballon de rugby, là où la « pollution » de notre Voie lactée et des galaxies est la plus faible, apparaît, en marron, le fond diffus cosmologique. En l'observant et en traçant sa carte complète, Planck va détecter l'origine et l'assemblage des grandes structures de l'univers tel qu'il se développera en amas de galaxies et en galaxies.

L'enfance de l'univers

En d'autres termes, cette cartographie va mesurer les inhomogénéités (l'anisotropie) de température et de polarisation du rayonnement fossile, vieux de 13,7 milliards d'années, nous l'avons dit, traces, cendres encore brûlantes, de l'explosion initiale du big bang. La question est alors la suivante : pourquoi y a-t-il une anisotropie dans les débuts de l'univers ? Pourquoi, en d'autres termes, ici et là, anarchiquement disposées, il y a de petites concentrations de rayonnement et de particules, et pourquoi des « vides » à d'autres endroits. C'est cette anisotropie, cette inhomogénéité originelle de la répartition de matière et de rayonnement, qui est à l'origine, par des phénomènes de gravitation connus, des assemblages de structures que nous connaissons, galaxies, étoiles...
Nous ne serions pas là si les choses avaient été parfaitement réparties.

Pourquoi Planck va-t-il jusqu'à 380 00 ans et pas plus loin dans le passé ?Parce qu'avant ce moment crucial, l'univers est encore trop chaud, trop dense, opaque : aucun rayonnement électromagnétique ne s'échappe, donc ce qui se passe «avant» est invisible par tous nos instruments de mesure. 380 000 ans après le big-bang vient enfin le moment où les atomes peuvent se former, le rayonnement s'échapper. Ce moment constitue donc une surface d'espace-temps de l'univers, c'est comme une «peau» primitive, et ce sont des images de cette peau que nous envoie Planck.

Dans quel espoir ? Pour bien comprendre, faisons une analogie : nous ne voyons pas, nous n'avons pas accès au centre du soleil. Mais l'examen de sa surface (différences de chaleur, de densité, de pression, de rayonnements) nous donne de précieuses indications sur les phénomènes à l'intérieur du soleil. Nous espérons la même chose en scrutant la «peau» de l'univers primordial : apprendre ce qui se passe «après» certes, mais aussi comprendre un peu de ce qui se passe «avant», sous la peau, entre le moment zéro (big-bang), et 380 000 ans.

Enfin, et ce n'est pas le moindre de ses résultats, Planck va permettre d'affiner considérablement nos tests sur la validité de certaines théories fondamentales. L'astrophysique et la cosmologie vivent actuellement sur deux piliers théoriques. Sans eux, tout s'effondre. Il s'agit de la théorie de la relativité générale d'Einstein d'une part, et d'autre part du principe cosmologique dit de Copernic.

Pour ce qui est de ce principe, il stipule simplement qu'il n'existe aucun point privilégié dans l'univers. D'où qu'on l'observe, en quelque direction que l'on pointe nos instruments d'exploration, l'univers est le même, gouverné par les mêmes lois, composé des mêmes grandes structures et vides. La découverte par Planck d'une gigantesque inhomogénéité serait une catastrophe... très excitante pour la recherche.

La plume et le marteau

Pour ce qui est de tester la Relativité générale, euh... on ne va pas ici se lancer dans un cours, contentons-nous de savoir que Planck va permettre d'effectuer des mesures ultra-précises des trajectoires des ondes électromagnétiques, qui sont sensibles à la force de gravitation et aux déformations de l'espace-temps qu'elle induit.

Il y a un autre moyen de tester la Relativité, bâtie sur un principe essentiel d'origine galiléenne mais dont Einstein a été le premier à comprendre la signification profonde : l'équivalence de la masse inerte et de la masse pesante. Laissons la théorie de côté pour parler de ce test simple et connu, qui prouve cette équivalence, et par conséquent la validité de la Relativité... jusqu'à aujourd'hui. Et donnons la parole à Scott, qui fit partie de la mission Apollo 15.

Nous sommes donc sur la Lune, début août 1971. Scott en est à sa troisième sortie extravéhiculaire, sous le regard attentif d'Irwin. Scott parle, et la Terre écoute : « Dans ma main gauche, j'ai une plume ; dans ma droite, un marteau. Et je suppose qu'une des raisons pour lesquelles nous sommes ici aujourd'hui est due à un gentleman nommé Galilée, qui fit une découverte relativement importante concernant les objets qui tombent dans les champs de gravité. Et nous pensions qu'il n'y aurait pas de meilleur endroit que la Lune pour confirmer ses trouvailles. Et donc nous pensions essayer cela ici pour vous. La plume est une plume de faucon. Je lâche la plume et le marteau... et heureusement pour la théorie, elles atteignent le sol au même moment. »