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Les fluctuations de l’Univers primordial

Comparaisons aux prédictions théoriques

Détection de l’effet SZ par l’expérience CBI

La détection des fluctuations du fond diffus cosmologique est depuis une dizaine d’années une activité florissante en cosmologie. Depuis le satellite COBE (Cosmic Background Explorer) en 1992, la sensibilité et la résolution angulaire des expériences au sol ou en vols ballon n’ont cessé de s’améliorer. La taille et l’amplitude de ces fluctuations primordiales permettent de déterminer les » conditions initiales » à la création de l’univers, et de fixer avec précision la valeur des (nombreux) paramètres cosmologiques (voir manips Boomerang et Maxima).

Très récemment, l’expérience interférométrique CBI (Cosmic Background Interferometer) a permis de mesurer l’amplitude des ces fluctuations à très haute résolution angulaire (quelques minutes d’arc).

Figure 1: Observations du fond diffus par le Cosmic Background Imager (croix bleues). En noir, le spectre de puissance angulaire du modèle cosmologique le plus probable, au vu des contraintes expérimentales actuelles. Le carré vert montre le niveau moyen observé par CBI pour les échelles où l’effet SZ domine. Les autres courbes représentent les prédictions théoriques obtenues par différents groupes.

A ces échelles angulaires, on s’attend à voir disparaître les fluctuations primordiales. L’expérience CBI a néanmoins détecté un signal (Bond et al., 2002, sous presse, astro-ph/0205386). Les théoriciens suppose que ces nouvelles fluctuations ne sont pas d’origine primordiale, mais proviennent d’objets d’avant-plan, et en particulier des amas de galaxies. Il a en effet été prédit par Sunayev et Zeldovich que des sphères de gaz ionisé doivent absorber le rayonnement fossile par diffusion Compton, et provoquer ainsi des » trous » dans le ciel.

La formation et l’évolution de ces amas de galaxies est malheureusement un processus compliqué et hautement non linéaire. Il n’a été possible de calculer l’amplitude et la taille de ces fluctuations d’avant plan que très récemment, à l’aide de simulations numériques très lourdes et au sein de 3 ou 4 équipes dans le monde. R. Teyssier et A. Refregier, du Sap, ont contribué à cet effort (papier accepté dans Physical Review D), en réalisant des simulations numériques 3D de la formation des amas de galaxies à très haute résolution spatiale.

Figure 2: carte du paramètre d’atténuation du fond diffus par le gaz chaud des amas de galaxies dans une simulation numérique réalisée au Service d’Astrophysique par R. Teyssier et A. Refregier.

Ils ont ainsi pu prédire l’amplitude et la formes des fluctuations du fond diffus dues à l’effet SZ: il s’avère que cette prédiction est dans le même ordre de grandeur que les observations CBI, quoique légèrement inférieure.

Figure 3: spectre angulaire du fond diffus cosmologique (en vert) et de l’effet SZ (en rouge et bleu). Pour l’effet SZ, plusieurs prédictions théoriques sont comparées et concordent assez bien avec les simulations numériques.

Cette détection est un résultat très encourageant pour les futures expériences d’observations du fond diffus, telles que OLIMPO (un vol ballon prévu en 2005) et PLANCK (satellite de l’Agence spatiale européenne qui doit être lancé en 2007), toutes les deux très orientées vers la détection de l’effet SZ et auxquelles participent plusieurs membres du SAP et du SPP au DAPNIA.

Contact : Romain TEYSSIER