Des observatoires en activité autour du globe ciblent des régions du ciel caractérisées par une faible contamination par le rayonnement galactique, à la recherche de l’empreinte des ondes gravitationnelles cosmologiques (CGW) produites pendant l’inflation, la phase mystérieuse d’expansion quasi-exponentielle de l’espace au tout début de l’univers. Une nouvelle étude de la collaboration POLARBEAR, menée par SISSA pour la partie concernant l’interprétation pour la Cosmologie et publiée dans le Journal astrophysiquefournit un nouvel algorithme de correction qui permet aux chercheurs de presque doubler la quantité de données fiables acquises dans de tels observatoires, donnant ainsi accès à un territoire inexploré du signal produit par les CGW et nous rapprochant du Big Bang.
« Selon les connaissances actuelles en cosmologie, juste après le Big Bang, l’Univers était très petit, dense et chaud. En 10 à 35 secondes, il s’est étiré d’un facteur 1030 », Carlo Baccigalupi, coordinateur du groupe Astrophysique & Cosmologie à SISSA, explique. « Ce processus, connu sous le nom d’inflation, a produit des ondes gravitationnelles cosmologiques (CGW) qui peuvent être détectées par la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB), le rayonnement résiduel du Big Bang. L’expérience POLARBEAR, dont SISSA fait partie, semble pour de tels signaux en utilisant le télescope Huan Tran dans le désert d’Atacama au nord du Chili dans la région d’Antofagasta. »
L’analyse des données acquises par l’Observatoire POLARBEAR est un pipeline complexe où la fiabilité des mesures représente un facteur des plus délicat et clé. « Les CGW n’excitent qu’une infime fraction du signal de polarisation CMB, mieux connu sous le nom de modes B », expliquent Nicoletta Krachmalnicoff, chercheuse au SISSA, et Davide Poletti, précédemment au même institut. « Ils sont très difficiles à mesurer, notamment en raison de la contamination du signal due aux émissions du gaz galactique diffus. Cela doit être éliminé avec une précision exquise pour isoler la contribution unique des CGW. »
Au cours des deux dernières années, Anto. I. Lonappan, Ph.D. étudiant à SISSA, et Satoru Takakura de l’Université de Boulder, dans le Colorado, ont caractérisé la qualité d’un ensemble de données étendu de la collaboration POLARBEAR, retraçant toutes les incertitudes et systématiques instrumentales et physiques connues. « Nous avons implémenté un algorithme qui attribue une précision aux mesures dans le ‘Large Patch’, une région s’étendant sur environ 670 degrés carrés dans l’hémisphère céleste sud, où notre sondeur révèle des données en accord avec d’autres sondes regardant au même endroit, telles que comme le BICEP2/Keck Array situé au pôle Sud », expliquent-ils. L’étude vient d’être publiée dans le Journal astrophysique.
« Il s’agit d’une étape importante sur un long chemin menant à l’observation des CGW. La nouvelle approche nous permet de sonder le ciel avec une précision sans précédent, doublant la quantité de données fiables et, par conséquent, d’informations accessibles. C’est une étape cruciale pour le toute la communauté maintenant que de nouveaux télescopes sont en cours de préparation pour les opérations », ajoutent les scientifiques.
De grands développements sont en cours du point de vue expérimental. Un système de trois télescopes POLARBEAR améliorés, connu sous le nom de Simons Array, est en préparation. L’Observatoire Simons, un nouveau système de télescopes à petite et grande ouverture, financé par la Fondation Simons, sera opérationnel à proximité, à Atacama, avec la première lumière en 2023. Plus tard dans cette décennie, le satellite LiteBIRD volera, et un réseau étendu d’observatoires au sol, dont les installations dans le désert d’Atacama et le pôle Sud, connu sous le nom de « Phase IV », viendra compléter ces observations.
« Tous ces efforts conduiront à la mesure ultime des CGW, révélant en même temps les indices les plus importants sur les composants cosmologiques de l’énergie noire et de la matière », conclut Baccigalupi. « A travers la mission principale de SISSA en tant qu’école doctorale, former des étudiants à devenir de jeunes chercheurs, notre Institut contribue et contribuera de manière significative aux principaux défis contemporains de la physique, comme celui-ci, ciblant les ondes gravitationnelles à partir d’une infime fraction d’une seconde après le Big Bang. »
S. Adachi et al, Amélioration de la limite supérieure de la puissance de polarisation en mode B CMB à l’échelle des degrés à partir de l’enquête POLARBEAR à 670 degrés carrés, Le Journal Astrophysique (2022). DOI : 10.3847/1538-4357/ac6809