Département de Physique des Particules

Naissance et gel des ondes baryoniques - BAO

L’Univers primordial est composé d’un plasma de baryons, électrons, photons et neutrinos, composant la matière ordinaire, ainsi que de matière noire. Au sein de ce milieu de matière ordinaire, des ondes de pression (ondes acoustiques) se sont propagées à partir de minuscules variations de la densité correspondant aux fluctuations primordiales issues l’inflation cosmique. En raison de son expansion, l’Univers se refroidit au fil du temps et, à l’âge de 380 000 ans, sa température chute en dessous du seuil minimal pour le maintenir à l’état de plasma ionisé : les électrons s’associent aux protons pour former des atomes d’hydrogène, et le plasma initial se mue brutalement en un milieu neutre. La propagation de ces ondes acoustiques s’arrête alors, après avoir parcouru une distance correspondant à 150 Mpc aujourd’hui. L'Univers porte ainsi l'empreinte de ces "oscillations acoustiques baryoniques" (BAO). La distribution spatiale des galaxies qui se sont formées à partir de ces fluctuations primordiales n’est alors plus aléatoire et il existe une distance privilégiée entre les concentrations de matière. La mesure de cette échelle caractéristique à différentes époques de l’évolution de l’Univers est aujourd’hui un moyen de caractériser l’accélération de l’expansion de l’Univers (faits marquants 2012, 2014, 2017).

Lien entre les BAO et l’empreinte des neutrinos fossiles

Si on mesure la fonction de corrélation de la distribution à 3D des galaxies, c'est-à-dire si on compte le nombre de paires de galaxies en fonction de la distance les séparant, le signal BAO apparaît comme un pic à 150 Mpc, prouvant l’existence de cette empreinte formée au moment de la création des premiers atomes d’hydrogène. Si on considère la transformée de Fourier de cette fonction de corrélation, le spectre de puissance, le pic apparaîtra comme un signal d'oscillation (voir figure 1) dont la fréquence nous renseigne sur l’échelle caractéristique des BAO. Et c’est la phase (c’est à dire le décalage) de ces oscillations qui permet de contraindre Neff, le nombre effectif d’espèces relativistes à l’époque de la recombinaison.

Dans le cadre du modèle standard de la cosmologie, ce nombre Neff correspond aux trois saveurs connues de neutrinos. Une propriété clé des neutrinos est qu'ils ne se comportent pas comme un fluide, mais comme un ensemble de particules relativistes diffusant librement. Les neutrinos se déplacent à la vitesse de la lumière tandis que les oscillations baryoniques acoustiques dans un fluide de photons et de baryons se déplacent, elles, à ~c/√(3). Il en résulte que les neutrinos relativistes, induisent des perturbations au-delà de l'horizon sonore des ondes acoustiques se propageant dans le fluide de photons et de baryons. Cet effet se traduit à la fin par un déphasage dans les ondes acoustiques du plasma primordial.

Dans le but de mesurer cet effet, nous avons utilisé la carte 3D des 1,2M de galaxies observées par BOSS. La figure 2 montre le spectre de puissance de ces galaxies. En pratique, nous avons utilisé les deux régions en redshift 0,2.

Notre mesure à partir des données BOSS uniquement ne peut pas vraiment contraindre Neff . Cependant, la figure 3 montre également qu'il existe une forte dégénérescence entre le paramètre β et le paramètre d'échelle BAO α. Dans le cadre du modèle standard de la cosmologie, la mesure du fond diffus cosmologique (CMB) nous donne une forte contrainte sur le paramètre alpha que nous pouvons combiner à notre mesure. Il en résulte une contrainte plus précise sur la phase qui donne β = 2,05 ± 0,81. Les courbes rouges de la figure 3-b sont obtenues pour différentes hypothèses sur l’utilisation des données du CMB (les détails sont dans l’article) et montrent que dans tous les cas, on exclut β = 0 (correspondant à Neff = 0) à plus de 95% de niveau de confiance. En mesurant une phase β non-nulle, on observe ainsi pour le première fois, l’empreinte des neutrinos dans les oscillations acoustiques baryoniques avec un relevé de galaxies.