Une équipe internationale de chercheurs dont font partie des physiciens du Dapnia participent à l'expérience Archeops qui vient de publier les mesures les plus précises jamais obtenues sur une grande gamme d'échelles angulaires du rayonnement fossile émis par l'Univers, peu de temps après le Big Bang. Les résultats ont été obtenus à partir des mesures prises lors d'un vol assuré le 7 février 2002 par le CNES, depuis la base de Kiruna (Suède). Ils confirment que l'Univers est spatialement plat et apportent des précisions sur son contenu en matière ordinaire, en parfait accord avec la théorie du Big Bang.

La mesure du rayonnement fossile est essentielle pour obtenir des informations précises sur l'évolution de l'Univers : densité, taux d'expansion, âge, etc. Elle est réalisée au moyen d'un télescope doté de détecteurs très sensibles permettant des mesures à des températures proches du zéro absolu (0,1 kelvin). Ce télescope est suspendu sous un ballon stratosphérique permettant de s'affranchir en grande partie du rayonnement parasite de l'atmosphère. L'expérience Archeops est conçue comme un prototype de l'instrument à haute fréquence qui sera installé à bord du futur satellite Planck de l'Agence spatiale européenne, dont le lancement est prévu en 2007

Le rayonnement fossile a été émis environ 300 000 ans après le Big Bang. A cette époque, l'Univers était constitué d'un gaz chaud (environ 3 000 kelvins) et homogène. La lumière émise par ce gaz (à une température proche de celle de la surface du Soleil) était donc une lumière visible avec une longueur d'onde de l'ordre du micron. Par suite de l'expansion de l'Univers, cette lumière a vu sa longueur d'onde augmenter jusqu'à être aujourd'hui proche du millimètre. Le fond du ciel apparaît donc comme le rayonnement d'ondes radio d'un corps noir à une température voisine de 3 kelvins.

Les premières observations de ce rayonnement ont été effectuées par des techniques radio et à une longueur d'onde voisine du centimètre par Penzias et Wilson en 1965, ce qui leur a valu de recevoir le prix Nobel en 1978. Le satellite Cobe (1992) a montré que, si ce rayonnement était très isotrope, il existait des variations relatives d'intensité de quelques millionièmes de l'intensité moyenne sur des échelles de quelques degrés. Depuis, les expériences américano-européennes BOOMERanG (2000) et Maxima (2000) et américaine Dasi (2001) ont confirmé ces mesures sur des échelles angulaires de quelques dizaines de minutes d'arc, ce qui leur a permis d'établir l'un des résultats les plus marquants de la cosmologie du vingtième siècle. Grâce aux résultats présentés aujourd'hui, Archeops permet, avec une précision inégalée, de confirmer que l'Univers est spatialement plat à très grande échelle. Ce résultat implique que la densité de matière-énergie contenue dans l'Univers est extrêmement proche de la valeur critique séparant un univers « ouvert » (spatialement infini) d'un univers « fermé ». Une partie seulement (environ 5 %) de cette densité est due à la matière ordinaire, ou matière baryonique, 25 % étant associés à d'autres formes exotiques de matière dont la nature est encore inconnue ; une des conséquences de ces mesures est de confirmer l'accélération de l'expansion de l'Univers qui avait été mise en évidence par les observations utilisant les supernovae de type I-a comme indicateurs de distance.

Archeops est né des réflexions qui ont eu lieu lors de la définition de l'instrument haute fréquence du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne (ESA). Il est conçu pour cartographier une grande portion du ciel, ce qui lui donne une sensibilité sans précédent aux grandes échelles angulaires. Pour cela, le télescope (un miroir de 1,5 m de diamètre) est pointé vers le haut à 49° de la verticale, et l'ensemble, suspendu sous un ballon. Une stratégie de cartographie originale a permis d'observer 30 % de la voûte céleste en seulement 12 h d'observations. L'unique inconvénient de cette technique est la nécessité de voler par une longue nuit sans lune afin d'éviter le rayonnement du Soleil et de la Lune. Archeops a donc volé durant la nuit polaire à Kiruna au nord du cercle arctique. Le vol, d'une durée totale de 19 h, a permis de collecter des mesures pendant 12 h à une altitude de 33 km, correspondant à la couverture de 30 % du ciel. Dans le domaine de longueurs d'onde de 400 µm à 2 mm, les détecteurs les plus sensibles sont les bolomètres : on mesure l'élévation de température d'un cristal refroidi à une température d'un dixième de degré audessus du zéro absolu (0,1 kelvin). Un système de refroidissement très sophistiqué a été développé en vue d'applications spatiales au Centre de recherches sur les très basses températures (CRTBT-CNRS), de Grenoble. Ce système, prévu pour le refroidissement des détecteurs du satellite Planck de l'ESA, a été testé pour la première fois et avec succès lors des vols du ballon Archeops.

L'expérience Archeops a permis de tester pour la première fois et avec succès un certain nombre d'éléments à la pointe de la technologie qui seront utilisés sur le satellite Planck. Les résultats d'Archeops ont été obtenus avec deux détecteurs ayant fonctionné pendant 12 h. Par comparaison, Planck prendra des données sur le ciel pendant un an avec 94 détecteurs, ce qui lui permettra d'obtenir une précision plus de 100 fois meilleure que celle d'Archeops.

Lancement d'Archeops en février 2002. Le ciel est tel que le voit l'expérience.