archéops et planck à l’écoute du premier cri de l’univers · plan de l’exposé cadre...
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Archéops et Planckà l’écoute du premier cri de l’univers
O. Perdereau
CNRS-IN2P3 et Université de Paris-XI
LAL 01/2003 – p.1/41
Plan de l’exposé
Cadre général (la cosmologie)3 observations de basesun “modèle standard”
Physique du Fond Diffus Cosmologique (ou CMB)générationobservation & analyse
Expériences au LALPlanckArchéops
LAL 01/2003 – p.2/41
La cosmologie qu’est-ce que c’est ?
la cosmologie - d’après www.francophonie.hachette-livre.fr“ n. f. Partie de l’astronomie qui étudiela structure et l’évolution de l’Universconsidéré comme un tout.”
“Les concepts relativistes et les progrèsde la physique des particules font évoluerla cosmologie.”
LAL 01/2003 – p.3/41
Les Trois Piliers
Trois observations :
1. Récession des galaxies lointaines (Univers enexpansion)
Les galaxies lointaines s’éloignent de nousPlus elles sont loin, plus elles s’éloignent vite dilatation globale de l’Univers
2. Abondances primordiales des éléments légérs
3. Rayonnement de fond (Fond Diffus CosmologiqueCMB)
Il y a eu une “explosion” ...
LAL 01/2003 – p.4/41
Les Trois Piliers
Trois observations :
1. Récession des galaxies lointaines (Univers enexpansion)
2. Abondances primordiales des éléments légérs
Helium,Deuterium (. . . ) présents dans les objetsles plus vieux ( 20-25% d’Helium)comment se sont-ils formés ? fusion thermonucléaire de l’Hydrogène dansune phase primordiale dense et chaude
3. Rayonnement de fond (Fond Diffus CosmologiqueCMB)
Il y a eu une “explosion” ...
LAL 01/2003 – p.4/41
Les Trois Piliers
Trois observations :
1. Récession des galaxies lointaines (Univers enexpansion)
2. Abondances primordiales des éléments légérs
3. Rayonnement de fond (Fond Diffus CosmologiqueCMB) = signature d’un état dense, chaud ethomogène de l’Univers(cf suite de l’exposé)
Il y a eu une “explosion” ...
LAL 01/2003 – p.4/41
Les Trois Piliers
Trois observations :
1. Récession des galaxies lointaines (Univers enexpansion)
2. Abondances primordiales des éléments légérs
3. Rayonnement de fond (Fond Diffus CosmologiqueCMB)
Il y a eu une “explosion” ...
LAL 01/2003 – p.4/41
Le Big Bang
“Quoi, c’est ça le Big-Bang?”
LAL 01/2003 – p.5/41
Le film des événements
1. état initial (??) inflation
2. expansion “lente” : apparition dequarks, leptons puis nucléons
3. Nucléosynthèse (fabrication desélements légers)
4. “Libération” des photons = émis-sion du CMB
5. Gravitation structures (galax-ies, étoiles, planètes, ...)
LAL 01/2003 – p.6/41
Paramètres et inconnues du modèle
vitesse d’expansion actuelle == “constante” de HubbleH0 ( 70km
s
Mpc)
Densité totale ΩtotComposantes :1. Matière “ordinaire” Ωb
2. Matière (“ordinaire”+”noire”) Ωm
3. “énergie noire”/ Λ
Ωtot 1 Univers “plat”
LAL 01/2003 – p.7/41
Le CMB
Prédit en 1948 (Gamow)
Découverte fortuite en 1965 (Penzias & Wilson), manip“dédiée” en construction !
Rayonnement isotrope
10−17
10−18
10−19
10−20
10−21
10−22101 100 1000
10 1.0 0.1Wavelength (cm)
Frequency (GHz)
FIRAS DMR UBC LBL-Italy Princeton Cyanogen
COBE satellite COBE satellite sounding rocket White Mt. & South Pole ground & balloon optical
2.73 K blackbody
I ν (
W m
−2 s
r−1 H
z−1)
Spectre = “corpsnoir”
pic à 100GHzTV sat : 10GHzportable : 2.5GHz
400 photons/cm3
... qq % du bruitd’une TV
LAL 01/2003 – p.8/41
Emission du CMB
1. Univers primordial (t 300000 ans T 3000 K
2700oC)
formé d’électrons, protons (noyaux) et photonsT élevée électrons “agités” : pas d’atomesphotons réfléchis ou absorbés : Univers opaque
2. Quand T 3000K les électrons se lient aux noyaux
photons “libérés” : c’est le CMB. Univers transparent
3. Décalage vers le rouge “cosmologique” : TCMB
2 7K maintenant ds l’infra-rouge lointain
LAL 01/2003 – p.9/41
Le plasma primordial (le tambour)
milieu composé de protons (+ qq noyaux He,...),d’électrons (“libres”) et de photons
composante dominante = les photons
interaction entre photons et électrons/protons
les photons résistent à une compression
mileu “presque” isotrope
position,direction
temperature,densite
Anisotropies
LAL 01/2003 – p.10/41
Des fluctuations aux anisotropies
Dans l’univers “quantique” fluctuations
Inflation dilatation très rapide
“gel” des fluctuations anisotropies de densitégraines des grandes structures
"Rides"
Accumulation dans les creux
LAL 01/2003 – p.11/41
Des ondes acoustiques
Il existe des zones plus denses et moins denses
la matière “tombe” là où c’est plus dense (gravitation)
... mais la pression réagit
apparition d’oscillations (ondes acoustiques) ds leplasma primordial
Vitesse des ondes composition, densité du milieu, ...
LAL 01/2003 – p.12/41
Anisotropies de température
existence d’ondes “sonores”
régions sur(sous-) densesanisotropies de densité
régions + ou - chaudesanisotropies de température
la physique du plasma primordial laisse une signaturedans les anisotropies de températures du CMB
LAL 01/2003 – p.13/41
Propagation du CMB
Plat
CourbeLa taille (apparente) angulaire des anisotropies est
modulée par la géométrie de l’Univers
LAL 01/2003 – p.14/41
Visualisation des fluctuations
TCMB dans chaque direction carte du “ciel” (couleur T)
Représentation d’une sphère connue
LAL 01/2003 – p.15/41
Visualisation des fluctuations
TCMB dans chaque direction carte du “ciel” (couleur T)
CMB très uniforme (à 1/1000 près)
LAL 01/2003 – p.15/41
Visualisation des fluctuations
TCMB dans chaque direction carte du “ciel” (couleur T)
mvt de la Terre effet Doppler
LAL 01/2003 – p.15/41
Visualisation des fluctuations
TCMB dans chaque direction carte du “ciel” (couleur T)
Fluctuations primordiales (δ T
T 10 5)+ Galaxie(1/100000 près)
LAL 01/2003 – p.15/41
Mesure des anisotropies
Pb : extraire des infos quantitatives des cartes
LAL 01/2003 – p.16/41
La courbe des C
∝ 1/(taille)
100 1
forme f
Ωx Multipole l
20
2
0.2 0.1
102 400 14001000
Echelle angulaires (degres)
Am
plitu
de (
tem
pera
ture
)
0.5
100
5 2
200
1
Premier pic
Pics secondaires
Beaucoup de structures de cette taille
LAL 01/2003 – p.17/41
Mesurer le CMB
Photons. ν 100GHz, faible puissance (5µW m 2)
Détecteur : radio(ν 100GHz) ou bolomètres ( 100 GHz)
+ –Sol accès à la manip atmosphèreballon peu d’atmosphère lancement incertain,
durée limitéeespace plus d’atmosphère longue préparation,
longue durée coût, technologie
LAL 01/2003 – p.18/41
Aperçu expérimental
COBE-DMR (1992) anisotropies(radio)
MAP 2003 (après-demain !)Mesures de C 1000 - radio
Planck 2007 C 2000
Boomerang,Maxima (1998) : 1er pic
Archéops (2003)
CBI,VSA,DASI (radio, 2000-2) :grands
LAL 01/2003 – p.19/41
Planck
Mission de l’ESALancement 02/2007(avec Herschell)Composantes :
1. Telescope (1.5m) - consortiumdanois
2. LFI (radiomètres 10-100GHz) -consortium piloté par G. Man-dolesi (Bologne)
3. HFI : bolomètres (100-800 GHz) -consortium piloté par J.-L. Puget(IAS - Orsay)
Panneaux / ecrans
Miroir primaire
Secondaire
Instruments
LAL 01/2003 – p.20/41
Planck (le vol)
LAL 01/2003 – p.21/41
Planck
Au point L2 :Observations couvrant tout le ciel, décrivantdes cercleschaque direction observée plusieurs fois(différentes orientations)contrôle systématiquescouverture de tout le ciel grandes échellesbonne résolution angulaire (10 arcmin) pe-tites échellesDurée de la mission : 1 an au moins
LAL 01/2003 – p.22/41
Planck HFI
Cryogenie
Cornets (1 par bolo)
Au foyer du télescope(“dans LFI”)
Refroidissement àplusieurs étages
Dernier étage actif(dilution 3He
4He -CRTBT Grenoble)
Détecteurs :bolomètres
Ordinateur de bord:LAL
LAL 01/2003 – p.23/41
Planck HFI
Au foyer du télescope(“dans LFI”)
Refroidissement àplusieurs étages
Dernier étage actif(dilution 3He
4He -CRTBT Grenoble)
Détecteurs :bolomètres
Ordinateur de bord:LAL
LAL 01/2003 – p.23/41
Préparatif(s) en cours
Construction d’un “modèle de qualification” (validation+ test)
Calibration au sol (à l’IAS) mi 2003
Préparation du contrôle au sol
Mise en place de stations de traitement des donnéesau sol (4 niveaux)
L1 : fabrication de flux de données ordonnés entemps (TOD), checksL2 : calibration, fabrication de cartesL3 : séparation de composantes, extraction des C
L4 : mise en forme et publicationNB : données publiques au bout d’un an !
LAL 01/2003 – p.24/41
Le processeur de bord (DPU)
De l’électronique, oui, mais du spatial !
Rôle : contrôle-commande de l’instrument
LAL 01/2003 – p.25/41
Tests thermiques
LAL 01/2003 – p.26/41
Calibration au sol de HFI
Source
HFI
Sources (LAL)
Fenetre polarisante
Prévue 2de moitiéde 2003
illumination de HFIpar un “corps noir”artificiel
Manip “du LAL” surfuites optique(suite d’Archeops)
LAL 01/2003 – p.27/41
Expérience Archeops
PI : A. Benoît (CRTBT Grenoble)
CRTBT (Cryogénie,électronique,nacelle, coordination)
USA : Caltech (bolomètres),Minesotta (télescope)
UK : QMWC Cardiff (cornets)
Russie (récupérations manip)
Italie : Rome (nacelle), Bologne(senseur stellaire)
IN2P3 : PCC/CdF, ISN, LAL(calibration, pointage, analyse)
INSU : IAP, IAS (analyse)
LAL 01/2003 – p.28/41
Objectifs & campagnes
Manip emportée par un ballon stratosphérique ( 35km)Objectifs :
Physique : anisotropie du CMB (grande échelle),galaxie,...
Préparation de Planck (bolomètres, cryogénie,électronique, analyse...)
Vols :
Campagne technique : Trapani 99
2 campagnes arctiques (Kiruna, Suède) 2000-1 et2001-2 (nuit polaire)
LAL 01/2003 – p.29/41
Schéma de la nacelle
LAL 01/2003 – p.30/41
Cryostat et plan focal
3 4
Cryostat a dilution ( He/ He)
Bolometres
T=100mK
Voie aveugle (syste)Capillaires (froid)
LAL 01/2003 – p.31/41
Les cornets
Optique refroidie à 10 KDéfinit la bande passante de chaque voie
LAL 01/2003 – p.32/41
Les bolomètres
mesurent lachaleurdéposée par les γgrille cosmiques
taille 2.6mm
“fils” 4x1µm
T 100mK(sensibilité)
LAL 01/2003 – p.33/41
Calibrations au sol
Mesure des fuites optiques sources = fibres de carbone (LAL)
LAL 01/2003 – p.34/41
Un montage délicat!
LAL 01/2003 – p.35/41
Quand tout est prêt ...
Pieds "anti−crash"
Pivot
(pointage)
Senseur stellaire
Cryostat
Antenne Satellite
Le vol dépend :
des conditions météo locales (lancement)
des vents à haute altitude (altitude, durée du vol)
des conditions de récupération de la nacelleLAL 01/2003 – p.36/41
Vol du 7 février 2001
LAL 01/2003 – p.37/41
Récupérations
LAL 01/2003 – p.38/41
Couverture angulaire
Plangalactique
Donnees analysees
Zone exclue (contamination)
Reconstruction du pointage “made by LAL”Grande couverture du ciel (30% du ciel)
LAL 01/2003 – p.39/41
Premiers résultats
Meilleure mesure du 1er pic
L’univers est plat
LAL 01/2003 – p.40/41
Conclusions
Premiers résultats d’Archéops = double bonnenouvelle
en soi : résultat compétitifpour Planck : banc test “OK”
MaisSeulement 2 détecteurs utilisés (sur 10)Une partie de la couverture
Beaucoup reste a faire pour Planck
Mais beaucoup de fait
Après-demain : MAP !
RDV en 2007/8 pour Planck ...
LAL 01/2003 – p.41/41