comment concevoir un - Institut d'Astrophysique Spatiale · montrer la faisabilité du projet de bout en bout!! necessité du soutien de l’agence nationale (R&D etc)!! aspects scientiﬁques,

Hervé Dole !Institut d’Astrophysique Spatiale, Orsay!Université Paris-Sud 11 et CNRS!Institut Universitaire de France!http://www.ias.u-psud.fr/dole!

comment!concevoir un!

observatoire spatial ?!

plan!

1. introduction: démarche observationnelle, signal et bruit!

2. conception d’un satellite: vue d’ensemble!

3. définissions notre satellite ! + coût & innovation!

4. toutes les étapes...pendant 15 à 20 ans!

5. quelques résultats de Planck (si le temps le permet)!

12-Aug-2011 – Fleurance! Hervé Dole, IAS – conception d'un observatoire spatial! 2!

1. introduction: démarche observationnelle, signal et bruit!

12-Aug-2011 – Fleurance! 3!Hervé Dole, IAS – conception d'un observatoire spatial!

une question, d’abord!

l’astrophysique et la cosmologie!sont-elles des sciences, et pourquoi ?!


caractéristiques de la démarche scientifique!

! existence de fondements théoriques !! validation par l’expérience / observation!! caratère reproductible !! théorie: pouvoir prédictif!! expérience / observations: résultats éventuellement

expliqués théoriquement ensuite!! aller-retour entre expérience et théorie!


démarche observationnelle!1. existence d’une problématique scientifique !

! inspirée par une prédiction théorique par exemple!

2. élaboration d’une stratégie d’observation pour collecter l’information manquante!

3. observations!4. traitement des données (éventuellement automatique)!5. analyse scientifique des données (dépend du but

scientifique)!6. interprétation, modélisation!7. retour à et lien avec la problématique scientifique!8. mise à disposition des données et produits haut niveau

(images étalonnées, catalogues, ...), documentation, publications!


exemple des données Planck!


la vie d’un photon n’est pas un long fleuve tranquille!

! les caractéristiques des photons que nous observons ont subi de nombreuses altérations!

! milieux astrophysiques (émission / absorption, ...)!! (atmosphère: émission / absorption)!! télescope (diffraction, pointage, distortion, diffusion)!! détecteur (filtrage, réponse, bruits, biais)!! échantillonnage (angulaire et/ou temporel)!


télescope et détecteur!


poly Dole 2009!Léna et al, 2008!

concept de signal et de bruit!


! signal!

! bruit!

concept de signal et de bruit!

! signal!! information recherchée dans un contexte donné!

! bruit!! toute information (ou tout procésus) indésirable dans ce

même contexte!

! le bruit a (au moins une) une composante aléatoire, mais souvent aussi une ou des composantes systématiques !

! le but d’une observation: maximiser le rapport signal sur bruit!


résumé!

! l’observation!! est le produit d’une réflexion globale, intégrant des aspects

théoriques fondamentaux ainsi que des aspects d’optimisation de stratégie!

! la conception d’un observatoire spatial (ou d’un nouvel instrument au sol ou d’une nouvelle expérience) est aussi le produit d’une réflexion approfondie, de tests validés, de preuves de concept, de simulations, ... et de beaucoup de ténacité !!


2. conception d’un satellite: vue d’ensemble!


un observatoire spatial!


charge utile!(télescope et instruments

scientifiques)!

plate-forme (spececraft)!(panneaux solaires, aimentation

électrique, fluides, pointage et attitude, communication,

mémoire, électronique, ...)!

Planck HFI France!http://www.planck.fr!

projet de satellite scientifique!


instrument scientifique!

satellite complet + !fonctionnement nominal +!

objectifs scientifiques atteints!

idée scientifique + équipe de

scientifiques et ingénieurs!

agences spatiales!

industriels!

spececraft!

segment sol!

management!

3. définissions notre satellite !"et aspects de coût et d’innovation

technologique!






problématique scientifique!

! identification de la problématique scientifique!

! identification des observables pertinentes pour la résolution de cette problématique!

! exemple ici du fond cosmologique et ou extragalactique!


petite histoire de l’Univers!


Hu & White, 2004!

mais comment faire en pratique (1)!

! quel type de mesure faire exactement ?!! que faire avec les données ensuite ? l’a t-on déja testé ?!! les données sont-elles contaminées par d’autres bruits ?!

! comment les «#décontaminer#»? Quel impact sur le résultat final ?!

! travail très lourd et long de simulation et de validation de méthodes!




simulations: les avant-plans!


T CMB!T Sync! T Dust!

104!

simulations: les avant-plans!


T CMB!T Sync! T Dust!

E Sync!

E CMB!

E Dust!

104!

mais comment faire en pratique (2)!

! quel type de détecteur, quelle type de technologie ?!! quels types de bruits et d’effets systématiques ?!

! travail très lourd et long de développement instrumental, de preuve de concept!

! + notion de TRL + pari de développement technologique!




exemples de développement instrumental!


1993: premier design de Jean-Michel Lamarre!



1993: design de Jean-Michel Lamarre!





! il faut «#vendre#» le projet aux agences spatiales!! appels d’offres!

! rares (tous les 10 ans au mieux ?)!! extrêmement compétitifs (~50 propositions pour 1 à 3 sélections)!

! intérêt scientifique majeur!! coût maitrisé!

! développement technologique maitrisé!

! montrer la faisabilité du projet de bout en bout!! necessité du soutien de l’agence nationale (R&D etc)!! aspects scientifiques, technologiques, industriels, politiques,

voire stratégiques, industriels, économiques, géopolitiques!


agences spatiales!

est-ce cher ?!! apparamment en absolu!! non au regard:!

! de l’apport en évolution technologique (retour sur investissement)!! de la demande sociétale et industrielle et/ou politique, économique

ou géostratégique, sans parler de l’apport à la connaissance et à notre vision du monde!

! des autres dépenses gouvernementales !


satellites Planck+ Herschel ESA!

~15 ans!~1.2 milliard d’Euro!

dont ~600 ME pour Planck!

satellite Spitzer!NASA! ~20 ans!

~1.3 milliards $!

Ballon Archeops!CNES!~5 ans!

~5 millions d’Euro!

4+2 télescopes VLT!ESO!

~10 ans! ~500 millions d’Euro!

comparaisons perfides:!- coût baisse TVA restauration: 2.5 milliards en 1 an!- coût bouclier fiscal 2008+2009: 1.2 milliards en 2 ans!- coût d’un rafale: 140 millions (Planck=1/2 rafale/an)!

innovation technologique!





mais il existe des problèmes!

! détecteurs et technologie!! sensibilité des détecteurs suffisante ?!! technologie disponible des détecteurs ?!! notion de TRL, i.e. niveau de maturité technologique!

! émissions astrophysiques génantes ?!! émission zodiacale!! émission de notre Galaxie!! émission des galaxies et des amas!! émission du CMB!

! exercice: calculer la longueur d’onde correspondant au maximum d’émission de ces composantes astrophysiques (sauf amas), dans l’hypothèse du corps noir!


les émissions du ciel (pas noir)!

12-Aug-2011 – Fleurance! Hervé Dole, IAS – conception d'un observatoire spatial! 32!Leinert+1997!

4. toutes les étapes..."pendant 15 à 20 ans !!





architecture thermique!



dans Planck HFI!



dans Planck HFI!



le refroidissement de Planck!











industriels!



management!

des centaines de personnes impliquées!


Pla

nck

HFI

Fra

nce!

http

://w

ww

.pla

nck.

fr!

The scientific results that we present today are a product of the Planck Collaboration, including individuals from more than 50 scientific institutes in Europe, the USA and Canada !

Planck is a project of the European Space Agency - ESA - with instruments provided by two scientific Consortia funded by ESA member states (in particular the lead countries: France and Italy) with contributions from NASA (USA), and telescope reflectors provided in a collaboration between ESA and a scientific Consortium led and funded by Denmark.!


de nombreux partenaires et financeurs!






tests, tests, encore des tests...!

12-Aug-2011 – Fleurance! Hervé Dole, IAS – conception d'un observatoire spatial! 47!Maryse Charra, IAS!



spececraft!



spececraft!instrument scientifique!

Planck HFI et LFI!


HFI!fonctionne!

à 0.1K!

Fabriqué sous responsabilité

IAS, Orsay!

LFI!

Planck, ESA, HFI & LFI!

intégration / technologie de Planck!



intégration Thales Cannes!




le satellite terminé et testé!





segment sol!

segment sol de Planck HFI!

! IAS!! surveillance quotidienne de l’instrument HFI!

! IAP!! Data Processing Center!! ordinateur cluster IBM dédié à Planck de 1 128 cœurs,

offrant 13 Teraflops!


H. Dole, IAS!


! IAP!! Data Processing Center!! ordinateur cluster IBM dédié à Planck de 1 128 cœurs,

offrant 13 Teraflops!

! production des cartes du ciel:!! 2 jours de calcul et traitement sur ce cluster!! équivalent à 6 ans sur un micro-ordinateur, s’il avait!

! 200To de disque dur!! un accès rapide aux disques (lecture de 11 CDROM en 1 seconde)!




Pla

nck

HFI

Fra

nce!

http

://w

ww

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nck.

fr!







observatoire spatial qualifié et prêt!



lancement de Planck & Herschel "


14 Mai 2009 à Kourou!

l’observation spatiale commence...!










agences spatiales!

industriels!

spececraft!

segment sol!

management!

les données arrivent ...!


Planck is very cool !!! Left earth at ~10 km/s!

! 1.5 million km in 45 days!

! Cooling on the way!

! Arrived smoothly at L2 on "July 2 2009 with almost no trajectory correction!

! 1 rpm!! Data acquisition @ 180Hz!! 40-50 minutes on the

same circle!! Covers the whole sky in "

~6 months!! Survey started on Aug 13

2009!! nominal mission: 2 surveys!! extended mission: 5

surveys !!!!!


Planck-HFI Core Team, 2011, arXiv:1101.2048 !

2 tours de Planck-HFI!


100 GHz!

143 GHz!

217 GHz!

353 GHz!

545 GHz!

857 GHz!

bolo!aveugle!


2 tours de Planck-HFI!


100 GHz!

143 GHz!

217 GHz!

353 GHz!

545 GHz!

857 GHz!

bolo!aveugle!


beaucoup de travail...!



143 GHz!

545 GHz!

bolo aveugle!

beaucoup de travail...!



143 GHz!

545 GHz!

bolo aveugle!

de 10 à 15% de données perdues à cause des glitches!

premiers résultats !!



et de nombreux autres résultats !!

12-Aug-2011 – Fleurance! Hervé Dole, IAS – conception d'un observatoire spatial! 72!Planck-HFI Core Team, 2011, arXiv:1101.2048 !Planck, ESA, HFI & LFI!

mais encore beaucoup de travail...!


le point sur le CMB (1)!


Planck couvre tout ce domaine!

Keisler+2011, arXiv:1105.3182!

avant Planck!

le point sur le CMB (2)!

12-Aug-2011 – Fleurance! Hervé Dole, IAS – conception d'un observatoire spatial! 75!Chiang+2011!

Dunkley+2010!

avant Planck!

conclusion!


conception d’un observatoire spatial!

! aventure humaine, scientifique et technologique fascinante!! organisation complexe (scientifiques, agences, industriels)!! le dimensionnement de la manip est un préalable!! de 15 à 20 ans de projet!

! avec aléas, beaucoup de tests!! la science évoluant rapidement, bien faire attention à ne pas

se faire doubler dans l’intervalle !!

! accès à une nouvelle fenêtre spectrale et/ou nouveaux domaines de sensibilité: quasi assurance de résultats majeurs!


-> mieux comprendre l’origine de l’Univers, de son histoire, et de la physique régissant son évolution.

finalement!



merci!http://www.ias.u-psud.fr/dole/!

http://www.planck.fr!


quelques références!! L’observation en astronomie, Pierre Léna, Hervé Dole, Anne-Marie Lagrange, Daniel

Rouan, Pierre Binétruy, Françoise Genova, 2010, Ellipses!! L’observation en astrophysique, 2008, Léna, P., Rouan, D., Lebrun, F., Mignard, F. & Pelat,

D., EDP Sciences / CNRS Editions!

! Observation et mesure en astrophysique, H. Dole, 2009, http://www.ias.u-psud.fr/dole/enseignement/!

! Planck: un regard vera l’aube de l’Univers, H. Dole et al., 2011, Plein Sud Special Recherche 2010-2011, page 16: http://www.plein-sud.u-psud.fr/!

! Extragalactic Astrophysics and Cosmology: An Introduction, P. Schneider, Springer, 2006.!! Observational Cosmology, S. Serjeant, Cambridge, 2010!! Astrophysical Concepts, M. Harwit, 3rd Ed, Springer!

! films ou reportages TV!! BLAST, expérience ballon en Antartique (DVD)!! Herschel, avec M. Sauvage du CEA (chercher sur herschel.fr)!! Planck, avec H. Dole J-L Puget et al. de l’IAS par Télessonne http://www.ias.u-psud.fr/dole/ !! 1er épisode de From the Earth to the Moon, 2000 (construction du LEM) !


livre!


16 SPÉCIAL RECHERCHE 2010/2011 ! PLEIN SUD

Photo : image d’artiste représentant Planck et une carte du fond diffus cosmologique.

©ES

A/D

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CRO

S

Quel est l’âge de l’Univers ? Quelle est sa forme ? Comment va-t-il évoluer ?

Pour répondre à toutes ces questions, il faudrait pouvoir remonter dans le

temps et capter la toute première lumière émise par l’Univers 380 000 ans

après le Big Bang, soit il y a environ 13 milliards d’années. Tel est le défi

qu’est en passe de relever le satellite Planck.

Un regard versl’origine de l’Univers

Institut d’Astrophysique Spatial (IAS) (UMR 8617, UPS / CNRS)UFR Sciences

HERVÉ DOLE, NABILA AGHANIM, MARYSE CHARRA, MARIAN DOUSPIS, JULIEN GRAIN,GUY GUYOT, GUILAINE LAGACHE, MARC-ANTOINE MIVILLE-DESCHÊNES,

FRANÇOIS PAJOT, NICOLAS PONTHIEU, JEAN-LOUP PUGET, LAURENT VIBERT

PLEIN SUD ! SPÉCIAL RECHERCHE 2010/2011 17

Planck est le satellite européen conçu pourmesurer avec une précision inégalée l’écholumineux du Big Bang (encadré 1). Cettelumière, la plus ancienne présente dans

l’Univers, a été émise il y a plus de 13 milliardsd’années, et est aussi appelée rayonnement fossileou fond diffus cosmologique (FDC). Une fois lamission terminée, les données accumulées et ren-dues publiques fourniront les informations les plusdétaillées jamais obtenues sur la taille, la masse,l’âge, la géométrie, la composition et le destin del’Univers observable. Fonctionnant parfaitementdepuis son lancement en mai 2009, Planck produitdes images d’exceptionnelle qualité, comme attendu.Cet article relate la formidable aventure humaine,technologique, et scientifique de Planck vue par deschercheurs, enseignant-chercheurs et ingénieurs del’Institut d’Astrophysique Spatiale impliqués dans leprojet, des premiers tests aux premières découvertesscientifiques, en attendant la publication finale desrésultats vers fin 2012.

De l’importance du rayonnementfossile dans la cosmologieForts de différentes observations astronomiques etde nouvelles théories physiques comme la relativitégénérale ou la mécanique quantique, les astrophysi-ciens ont élaboré un scénario possible de l’Histoirede l’Univers et créer ainsi un modèle standard de lacosmologie. Il repose sur le concept d’un Univers enexpansion qui a débuté il y a 13,7 milliards d’annéesà une époque très dense et chaude communémentappelée Big Bang. Entre 10-35 et 10-32 secondes aprèsle Big Bang, s’ensuit une période d’expansion expo-nentielle qui aurait permis à l’Univers de grossird’un facteur considérable. Il s’agit de la théorie del’inflation cosmique. Puis une dilatation globale del’Univers au cours du temps le rend de moins enmoins dense et de plus en plus froid mais possédantune grande homogénéité et une géométrie plane.Des petites fluctuations produites avant et étenduesdurant l’inflation se sont structurées sous l’influencede forces gravitationnelles, pour former bien plustard des galaxies et amas de galaxies. L’Univers estconstitué de différentes formes de matière et d’éner-gie : on retrouve la lumière, la matière ordinaire(composée d’atomes, de molécules, d’électrons…),des neutrinos (particules élémentaires n’ayant nicouleur ni charge électrique), la matière noire*et l’énergie noire*. On connait très peu de chosessur ces deux dernières composantes, inconnues enlaboratoire et pour lesquelles aucune explicationthéorique n’a même pu être établie, mais qui sontinvoquées pour expliquer certains effets bien obser-vés. La lumière voyage à une vitesse finie et inégalée,c’est une constante physique ne dépendant pas del’observateur. Lorsque l’on regarde un objet, onobserve en fait la lumière qu’il nous envoie. Cettelumière met un certain temps pour arriver à nos yeux

donc en regardant loin, on regarde dans le passé.Dans l’Univers primordial très dense, la lumière nepouvait pas se propager librement : l’Univers étaitopaque. Puis vint le moment où l’Univers cessad’être opaque. Ce bref épisode s’appelle époquede dernière diffusion. Elle s’est produite environ380 000 ans après le Big Bang. C’est le rayonnementqui baignait l’Univers à ce moment-là, appelé fonddiffus cosmologique, ou rayonnement fossile, tou-jours présent autour de nous et qui est observé parle satellite Planck : ce rayonnement permet ainsi deremonter jusqu’à la prime jeunesse de l’Univers.Au moment de leur dernière émission (on plutôt dedernière diffusion), les photons du FDC acquièrentune polarisation* linéaire qui dépend de la vitessedu plasma électrons-photons à ce moment. Le degréet la direction de polarisation des photons provenantd’un point du ciel nous apportent des informations

Baptisé du nom du physicien allemand Max Planck(1858-1947) qui a notamment expliqué, en 1899, lafaçon dont un corps à l’équilibre thermique émet unrayonnement déposant alors les bases de la mécaniquequantique, le satellite Planck est situé à 1,5 millionsde kilomètres de la Terre. Il observe le ciel dans neufbandes de fréquence en utilisant deux instruments dedernière génération, conçus pour produire des mesu-res multifréquences à haute sensibilité et finesse durayonnement diffus du ciel : l’instrument haute fré-quence (HFI) de responsabilité française, qui couvresix bandes entre 100 et 857 GHz, et est refroidi à unetempérature record de - 273 °C, et l’instrument bassefréquence (LFI) de responsabilité italienne, qui couvretrois bandes entre 30 et 70 GHz. Le premier relevéintégral du ciel par Planck a débuté mi-août 2009 ets’est achevé en juin 2010. Planck devrait continuerde collecter des données jusqu’à début 2012, luipermettant d’établir quatre relevés complets du cielafin d’obtenir des données encore plus précises. Unpremier ensemble de données astronomiques, appelé«catalogue initial de sources compactes» a été rendupublic en janvier 2011. Les résultats scientifiquessont disponibles sur internet en français pour un largepublic sur http://www.planck.fr. Un reportage téléviséde 20 minutes résume l’implication de l’IAS dansle projet Planck : http://www.ias.u-psud.fr/dole/vulga-risation /Telessonne20091211.wmv. Les principauxrésultats cosmologiques demanderont, quant à eux,près de deux années supplémentaires de traitementet d’analyse des données, afin d’arriver à un premierensemble de données traitées et disponibles pour lacommunauté scientifique mondiale vers fin 2012.

1 Le satellite Planck

complémentaires sur l’état de l’Univers à cetteépoque. Ces informations sont capitales, car ellespermettent de préciser des modèles que seules desvariations de température jusqu’alors relevées nepermettaient de trancher.


Des prouesses technologiquespour répondre aux objectifsscientifiquesPour être sûr d’avoir des données probantes, lesatellite observe le ciel dans une large gamme defréquences (au nombre de neuf). On obtient alorsdes images (appelées cartes) avec des sources mélan-gées (poussière galactique, FDC, bruit, synchrotrongalactique…). Il faut ensuite séparer les différentescomposantes astrophysiques indépendantes grâceà des algorithmes de traitement de données. Cesobservations ne s’effectuent pas dans des longueursd’onde correspondant au domaine visible, car l’émis-sion du FDC y est trop faible. On préférera uneétude faite dans le domaine millimétrique et sub-millimétrique, où le FDC est maximum en intensité :Planck observe donc dans les micro-ondes. L’étudedes différentes composantes permet non seulementune optimisation de leur soustraction pour l’étudedu FDC mais offre également la possibilité derépondre à de nouvelles questions traitant des plusgrandes structures de l’Univers (amas de galaxie,galaxies lointaines) jusqu’aux structures plus voi-sines (formation stellaire et physique du gaz dansnotre propre Galaxie). L’étude du FDC est déter-minante pour la cosmologie. Les données collectéespar les différentes campagnes d’observation pré-Planck tendent à favoriser la théorie de l’inflation,car elle permet de rendre compte de l’incroyableuniformité statistique du FDC et de la géométrieplate de l’Univers. Si l’on regarde le FDC avec unfaible niveau de contraste, on se retrouve face à uneémission uniforme sur tout le ciel : la températureet la polarisation de cette «première » lumière sontidentiques, quelle que soit la direction d’observationdans le ciel; autrement dit le FDC est isotropique-ment distribué dans le ciel. Une telle uniformité estla signature d’un Univers extrêmement homogèneau moment de la formation des premiers atomescosmiques. Mais à y regarder de plus près, on observed’infimes variations de température (au millièmede pourcent) et de polarisation (au dix-millièmede pourcent). Ces points chauds et froids, appelésanisotropies, soulignent quant à eux la présence defaibles inhomogénéités dans l’Univers au momentde la libération des photons du FDC. Ces inhomogé-néités ont évolué pour former les galaxies et autresgrandes structures cosmiques. Cependant les don-nées actuelles ne sont pas suffisantes. Les nombreuxmodèles d’inflation jusqu’à présent construits sontdonc pour la plupart issus de nouvelles propositionsthéoriques en physique des hautes énergies ou engravitation quantique. Cela changera avec les résul-tats de Planck, qui devraient permettre de discrimi-ner entre trois grandes classes de modèles d’inflationissus de la physique des hautes énergies. La théoriede l’inflation fournit une solution à la question del’origine des perturbations cosmologiques car elleest le moteur d’un mécanisme de production des

/ FIGURE1

Description du satellite Planck.

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Le système de réfrigération fait appel à des techno-logies complètement nouvelles. La base du satelliteétant chauffée par le panneau solaire et l’activité del’électronique embarquée, un premier refroidissementpassif à - 225 °C (50 K) se fait au niveau de radiateurs(écrans noirs situés à la base du satellite) par rayon-nement thermique (car dans le vide interplanétaire unéchange de chaleur par conduction est impossible)pour isoler le télescope et les instruments scientifi-ques. Puis deux refroidisseurs successifs permettentd’atteindre d’abord - 253 °C (20 K), puis - 268 °C(4,5 K). La dernière étape est découpée en deux :une première partie de ce système cryogénique refroi-dit à - 271,4 °C (1,6 K). Il fonctionne par détenteJoule-Thomson du mélange hélium 3/hélium 4 etpré-refroidit les gaz purs de la dilution ainsi que lesfiltres de l’instrument HFI; la seconde partie de cesystème refroidit à - 273 °C (0,1 K). Il fonctionne pardilution d’hélium 3 dans l’hélium 4 en circuit ouvert,le mélange étant ensuite évacué dans l’espace. Lamission prendra donc fin lorsque la totalité de l’héliumsera épuisée.

2 Architecture cryogénique


Image d’artiste du satellite Planck vu de face.

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A/A

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Les laboratoires français ont joué unrôle crucial dans la conception, ledéveloppement et la maîtrise d’œuvrede l’instrument HFI (High FrequencyInstrument). En particulier :

• l’Institut d’Astrophysique Spatiale(IAS : CNRS, Université Paris-Sud,OSU/ INSU) a joué le rôle principalen assurant la conception initiale etla responsabilité scientifique et tech-nique de l’instrument. Il a de plusassuré l’intégration et les tests del’instrument fini, et est responsabledes opérations en vol de HFI ;• l’Institut d’Astrophysique de Paris(IAP : CNRS, Université Pierre etMarie Curie, OSU/ INSU) il héberge

le centre de traitement des donnéeset est responsable de cette activité;• le Centre de recherches sur les trèsbasses températures, aujourd’huiInstitut Néel (CNRS) et le Laboratoirede Physique Subatomique et Cosmologie(LPSC : CNRS, Université JosephFourier, Institut Polytechnique deGrenoble) ont joué un grand rôle dansle développement de la cryogénie àrespectivement 0,1 K et 20 K;• le Centre d’Etudes Spatiales desRayonnements (CESR : CNRS,Université Paul Sabatier, OMP-OSU/ INSU) dans celui de l’électroni-que de lecture des détecteurs ;• le Laboratoire de l’AccélérateurLinéaire (LAL:CNRS, Université Paris-

Sud) dans celui de l’ordinateur debord de l’instrument;• le laboratoire AstroParticule etCosmologie (APC: CNRS, UniversitéParis-Diderot, CEA, Observatoire deParis) dans le développement demoyens de tests;• le Laboratoire d’AstrOphysique deGrenoble (LAOG: CNRS, UniversitéJoseph Fourier, OSUG-OSU/ INSU) etle Laboratoire d’Etudes du Rayonnementet de la Matière en Astrophysique(LERMA : CNRS, Observatoire deParis, Université Cergy-Pontoise,Université Pierre et Marie Curie, EcoleNormale Supérieure), ont apporté leurexpertise dans la modélisation del’instrument.

3 Un consortium de laboratoires


des anisotropies de polarisation (dite de mode B)du FDC permettrait d’en observer les effets. Enfin,puisque l’inflation se base sur des nouvelles construc-tions théoriques, tester cette dernière grâce auxFDC, en général, et aux données de Planck, enparticulier, c’est aussi interroger par l’observationles fondements de la physique. L’échelle d’énergiede l’inflation est encore peu connue mais pourraitatteindre 1016 GeV (2 mégajoules); une énergie de13 ordres de grandeur supérieure à l’énergie son-dée au nouveau collisionneur du CERN, le LHC.L’univers primordial est donc un formidable labora-toire de nouvelle physique fondamentale (physiquedes hautes énergies et, évidemment, gravitationquantique) et c’est par l’observation du FDC quenous avons accès à ce laboratoire. Si les récentscollisionneurs de particules, de part les gigantesquesénergies qu’ils sondent, sont qualifiés d’incroyablesmicroscopes, alors il est évident que la nouvelleère d’observations du FDC inaugurée par Planckconstituera le plus « incroyable microscope» jamaisconçu.

Quinze années de projet

La température du FDC n’excède plus aujourd’hui2,725 K (soit - 270,435 °C). Ses fluctuations intéres-sant les astrophysiciens étant d’environ dix millio-nièmes de degré : des appareils de mesure extrême-ment froids ont été mis au point afin qu’ils puissentdéceler ces plus infimes variations de températuresur le ciel. Pour pouvoir mener les observations dansles meilleures conditions il a fallu concevoir un satel-lite audacieux grâce à de nombreuses prouesses tech-nologiques. Le satellite Planck (figure 1) est constituéd’un module de service /plate-forme, d’un télescope,et du plan focal contenant deux instruments demesure : HFI et LFI pour High et Low FrequencyInstrument. La principale prouesse technologiquedu satellite consiste à embarquer des instrumentsscientifiques dont certaines parties sont refroidiesà 0,1 Kelvin, soit environ - 273 °C et sont stables aumillionième de degré. Ce tour de force est obtenugrâce à l’évacuation de la chaleur avec des radia-teurs et l’empilement de plusieurs étages de réfri-gérateurs novateurs (encadré 2). Les performancesde l’optique et de l’électronique qui manipulent lesignal constituent d’autres prouesses technologiquesinégalées. L’ensemble de la construction d’un instru-ment scientifique spatial et la préparation du traite-ment des données ont été le défi technologique etorganisationnel le plus important qu’un consortiumde laboratoires (encadré 3) ait eu à relever dans cedomaine. C’est une grande aventure humaine quis’étale sur plus de quinze années, avec chaque jourun programme chargé et de nombreuses difficultésliées à la complexité de cette entreprise. C’est aussiavec beaucoup d’enthousiasme et de motivationque nous avons été témoin de l’avancement de ceprojet : passer de sa conception, à son assemblage et

faibles inhomogénéités, avec les bonnes propriétésstatistiques, par amplification des fluctuations quan-tiques*. En fin d’inflation, l’Univers se trouve doncnon seulement rempli de sur et sous-densités locales,mais aussi d’un bain d’ondes gravitationnelles* pri-mordiales. Cette bouffée de gravitons primordiauxn’a toujours pas été détectée, mais l’observation

/ FIGURE2

Le plan focal de HFI dans la cuve Saturne de la stationd’étalonnage de l’IAS, lors des phases d’étalonnage.

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A/I

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L’étalonnage d’un instrument consiste à établir lesrelations entre les valeurs numériques qui nous par-viennent de la chaine de mesure via la télémétrie dusatellite, et le flux, en unités physiques, des sourcesastronomiques observées. A cet effet, un simulateurde ciel et d’environnement pour l’instrument HFI aété construit dans la station d’étalonnage de l’IAS.Ce simulateur comprend une cuve, Saturne, refroidieà 2 K (- 271,15 °C), et des sources de rayonnementéquivalentes à celles qui sont attendues dans l’es-pace, comme le rayonnement du fond cosmologiquemicro-onde. Ce simulateur doit reproduire égalementtoutes les interfaces mécaniques et thermiques dontHFI aura besoin lorsqu’il sera intégré dans le satel-lite. Deux campagnes d’étalonnage ont été réalisées,sur le modèle de qualification puis le modèle de vol.Cette dernière a duré 6 semaines sans interruptiondurant l’été 2007. Elle a permis de vérifier que lesperformances de l’instrument au sol atteignaient nosestimations les plus optimistes, et d’apprendre à lefaire fonctionner dans une large gamme de conditionspossibles en orbite.

4 Étalonnage d’HFI


aux premiers essais au sol furent passionnant maisles derniers préparatifs, le lancement puis le retourdes premières données furent vraiment l’occasionde réaliser et de savourer l’étendue du travail fournipar tant de personnes. Revenons sur les principalesétapes de la mission.

Etape 1 :Les phases d’intégrationLes phases d’intégrations sont parmi les phases lesplus palpitantes d’un projet. Tout ce qui a été penséet réalisé pendant des années prend alors forme. Lapremière phase d’intégration a été l’étalonnage duplan focal de l’instrument HFI, étape indispensableet cruciale pour l’exploitation par les scientifiquesdes données que fourni l’instrument en vol (encadré 4).La particularité de ce projet est que le satellite Planckest construit autour des instruments HFI et LFI.L’intégration des instruments sur le satellite et celledu satellite lui-même sont donc simultanées. Toutesles équipes travaillent alors ensemble : les équipesde l’industrie (Thales Alénia Space Cannes) pour lesatellite Planck lui-même; l’équipe de l’IAS assistéed’experts des laboratoires coopérant pour l’instru-ment HFI (encadré 5); l’Agence Spatiale Européenne(ESA) pour le suivi du projet Planck. La phasesuivant cet étalonnage a été l’intégration de l’ins-trument sur le satellite (figures 2 et 3). Ces opérationsont été effectuées chez le constructeur du satellite.L’instrument commence alors à prendre vie, et cettephase se termine lorsque le satellite et les instru-ments sont complètement intégrés. Certains essaisfonctionnels ne peuvent être menés que si le satellitese trouve en ambiance spatiale, c’est-à-dire sous vide,avec une température inférieure à -265 °C. Ces essaisont été effectués au Centre Spatial de Liège, qui afourni le simulateur spatial, à savoir : un caisson àvide de grande dimension pouvant accueillir le satel-lite, tapissé d’écrans refroidis (figure 4). Ce sont desessais qui ont mobilisé toutes les équipes, et qui ontduré plus d’un mois, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.La fin de ce test donne le signal du grand départpour la campagne de lancement. Planck est envoyéà Kourou par avion (figure 5).

Etape 2 :La Campagne de lancementLa campagne de lancement comprend toutes lesactivités qui permettent d’intégrer le satellite surle lanceur Ariane 5, de vérifier le fonctionnementde l’ensemble après cette intégration, et d’effectuertoutes les opérations qui mettront le satellite etles instruments en configuration pour le vol. Nousrejoignons alors les équipes du champ de tir (CentreSpatial Guyanais de Kourou) et les équipes du lan-ceur. Les activités des instruments pendant cettecampagne se sont étalées sur trois mois, et elles se

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Départ de Planck (dans la caisse blanche au fond de l’avion) enAntonov 124 de l’aéroport de Liège-Bierset le 19 Février 2009pour le centre spatial de Guyane.

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Intégrations des instruments scientifiques et du satelliteà Thalès Cannes.

Installation du satellite Planck dans le simulateur spatialdu centre spatial de Liège.

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déroulent en parallèle aux activités des équipesdu satellite Herschel, qui partage la coiffe du lan-ceur. Les satellites arrivent dans une première salleblanche où sont effectués tous les tests fonctionnelsdes satellites et des instruments scientifiques. Sontensuite effectuées sur les instruments scientifiquesles activités qui ne peuvent être faites trop longtempsavant le tir. Pour Planck, ce fut le remplissage dessphères en hélium 4 et hélium 3 (figure 6). Les deuxsatellites sont ensuite transportés dans un autre bâti-ment en zone sécurisée où est effectué le remplissagedes réservoirs d’hydrazine, combustible qui permetde manœuvrer les satellites en vol. Est égalementeffectuée la mise en configuration des instruments.Les satellites sont ensuite transportés dans le bâti-ment lanceur, pour y être montés sur celui-ci. Cetteopération est là encore suivie de tests fonctionnels.Cela a abouti, le 16 mai 2009, au décollage d’Ariane 5lançant les satellites Planck et Herschel (figure 7).Après la séparation, le satellite Planck a continué sacourse jusqu’au point Lagrange L2* à 1,5 millions dekilomètres de la Terre.

Etape 3 :Surveillance et contrôlesAprès le lancement, commencent les « opérations»,c’est-à-dire les activités liées à la surveillance et aucontrôle à distance du satellite et de ses instrumentsscientifiques. En fonctionnement nominal, uneunique station au sol de l’ESA, située en Australie,est utilisée pour communiquer avec le satellite. Cettestation sol ne « voit» le satellite qu’une fois par jouret pendant 3 heures. En ce court laps de temps, lesdonnées acquises à bord du satellite pendant lesdernières 24 heures sont descendues au sol. Les don-nées sont ensuite acheminées au Mission OperationCenter (MOC) de l’ESA à Darmstadt en Allemagne.Les ingénieurs du MOC ont en charge le pilotagedu satellite : dynamique de vol, surveillance dubon fonctionnement et opérations de maintenance.Le MOC a également la responsabilité de mettreles données reçues à disposition des deux centresde traitement des données du consortium Planck.Pour ce qui concerne l’instrument HFI, le centre derécupération de ces données est assuré par l’Institutd’Astrophysique Spatiale à Orsay. L’IAS est donc àla fois le point d’entrée du traitement des donnéesde Planck (récupération et premier niveau de trai-tement des données) et le centre des opérations del’instrument HFI. Une salle spécialisée de l’IAS estaménagée dans IDOC (IAS Data and OperationCenter) avec une batterie d’ordinateurs qui per-mettent de suivre en temps réel 3 heures par jour lesdonnées arrivant «directement» du satellite situé à1,5 millions de kilomètres d’Orsay (figure 8). Chaquejour, les ingénieurs et les scientifiques effectuentune permanence pour surveiller les paramètres debon fonctionnement et la qualité des signaux scien-tifiques acquis par l’instrument. Cette surveillance

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Campagne de lancement à Kourou au centre spatial de Guyane :remplissage des sphères d’hélium pour le bon fonctionnementde HFI.

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HFI est le fruit du travail de plus de dix laboratoires,instituts et d’industriels, d’Europe et des Etats-Unis.De nombreux points hautement technologiques ont étédéveloppés et maîtrisés par des équipes internationa-les, comme la fabrication des détecteurs travaillantà 0,1 Kelvin par nos collègues américains du JPL,l’ensemble électronique permettant de reproduirefidèlement le signal des détecteurs (l’image du ciel)construites par nos collègues Italiens et du CESR àToulouse, ou les optiques très froides, fournies parnos collègues Anglais qui ont aussi fourni le refroidis-seur permettant d’atteindre 4,5 Kelvin, températureusuelle des conteneurs à hélium de nos laboratoires.Le LAL d’Orsay a fourni le système de contrôle / com-mande qui permet, aujourd’hui de communiquer avecl’instrument, et conduit la réflexion sur les modes defonctionnement en vol, tandis que le LPSC à Grenoblea livré les électroniques de gestion des refroidisseursfrançais et américain. Ces équipements sont tousissus de l’héritage technologique développé par ceséquipes et amené au plus haut niveau pour satisfaireaux exigences de l’instrument embarqué sur Planck.L’IAS enfin, est maître d’œuvre de l’instrument, et apiloté les opérations d’étalonnage (à Orsay et ailleurs),et est responsable des opérations en vol durant toutela mission. Notons le rôle essentiel du CNES qui apermis et soutenu le développement de la dilutionHélium 3- Hélium 4 permettant de refroidir les détec-teurs à 100 mK.

5 L’instrument HFI,une coopération mondiale


par exemple. A l’issue de ce premier traitement,les données peuvent être projetées sous forme decartes (ou images du ciel). Ces cartes sont la base desanalyses scientifiques : ce sont elles qui contiennentl’ensemble des informations. La façon d’analyserces cartes dépend ensuite de la science que l’onveut en extraire, c’est-à-dire des informations quel’on veut faire sortir. Selon que l’on s’intéressedavantage aux propriétés d’objets individuels, auxpropriétés statistiques d’une classe d’objet, ou detype de rayonnement, les outils développés par leschercheurs relèvent davantage de techniques dephotométrie, de traitement d’image ou d’analysestatistique et probabiliste. Parmi les défis liés àl’analyse de données, il y a tout d’abord l’étalonnagedu satellite, c’est-à-dire la conversion des mesuresphysiques enregistrés par les détecteurs en unités

(soutenue par l’infrastructure, les informaticiensde IDOC et les ingénieurs de Planck de l’IAS), estcritique pour détecter une éventuelle défaillance, lapartie la plus critique étant la chaine cryogéniquecomplexe permettant aux détecteurs de fonctionnernominalement à 0,1 K. En effet, une rupture de cettechaine de seulement quelques heures impliqueraitun réchauffement quasi immédiat de l’ensemble deséléments, et par conséquent une nouvelle mise enfroid d’une durée d’environ une semaine. Sachantque pendant ce temps l’instrument continueraitde consommer le très précieux mélange d’hélium3 - hélium 4, sa courte durée de vie continuant dedécroître et diminuant irrémédiablement la prise dedonnées du ciel…. Par ailleurs, les scientifiques etingénieurs profitent également de ces heures de sur-veillance pour commencer le traitement et l’analysedes données.

Etape 4 :Le traitement des donnéesL’analyse des données englobe des aspects divers dutravail des scientifiques. Conceptuellement, on peutdistinguer plusieurs étapes mais il faut cependantbien garder à l’esprit que le travail des scientifiques,s’il peut certes se concentrer davantage sur unaspect particulier, nécessite de faire de nombreuxallers-retours entre ces différentes étapes. Commetout télescope, Planck collecte des photons, qui inte-ragissent avec les détecteurs pour fournir des varia-tions de tension électrique qui sont enregistrées.Au premier stade, les données de Planck sont doncune collection de mesures dans des unités instru-mentales (Volts par exemple). Une première étapeconsiste à soustraire de ces données certains effetsparasites inévitables : contamination par le rayon-nement cosmique de haute énergie, soustractiondes dérives basses fréquences, correction de l’effetdes constantes de temps de la chaîne de détection,

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Décollage réussi d’Ariane 5 vol 188, avec Planck et Herschel,le 16 mai 2009.

Panorama de la salle d’opérations Planck HFI à l’Institut d’Astrophysique Spatiale.

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centres de calculs tels que celui de l’IN2P3 à Lyonou le NERSC à Berkeley (USA) qui offrent jusqu’à38 000 processeurs. Par exemple, la création des ima-ges de Planck de tout le ciel (voir image plus bas), àpartir des données brutes nécessite environ 2 joursde calculs sur la machine dédiée de l’IAP, avec desalgorithmes développés par les laboratoires d’Orsay(LAL), de Paris (IAP) et de Grenoble (LAOG etLPSC). Cela pourrait se convertir en environ 6 ansde calcul sur un seul ordinateur personnel, s’il avaitsuffisamment de mémoire, de disque (environ 200Teraoctets) et de performances d’accès aux disques(la machine dédiée Planck permet de lire l’équi-valent de 11 CD-ROMs par seconde). Une grandepartie du traitement des données en vue de mesurerla polarisation du FDC est commune au cas de latempérature. Les mêmes effets instrumentaux et lasuperposition des mêmes composantes astrophysi-ques doivent être pris en compte et mélangés. Ladifficulté supplémentaire est que le signal recherchéest encore plusieurs ordres de grandeur plus faibleque la température et requiert donc un contrôle detous les effets parasites d’autant meilleur. On touchevéritablement ici aux limites de ce que peut fairel’instrument et de ce que l’on sait faire pour cettegénération de télescopes.

Des premiers résultats àla hauteur du défiLes premiers résultats de Planck sont à la hauteurdes attentes, et couvrent un domaine scientifiquelarge, des propriétés de la poussière dans notreGalaxie, aux plus grandes structures de l’Univers. Enjuillet 2010, une image exceptionnelle de l’intégralitédu ciel provenant du tout premier relevé (figure 9)juste achevé, du satellite Planck, mettait en évidenceles deux sources de rayonnement du ciel les plusimportantes dans le domaine des micro-ondes : leFDC et la Voie lactée. Les minuscules fluctuations detempérature du FDC portent la trace des germes desgrandes structures cosmiques qui se sont forméesplus tard, comme les galaxies ou les amas de galaxies.Cette première image de tout le ciel représente unesynthèse particulière de toute l’information quePlanck est en train de collecter. Elle a été spécifi-quement traitée pour mettre en valeur l’émission denotre Galaxie. Cette image provient des données dePlanck collectées pendant les neuf premiers mois desa mise en service. Le satellite poursuit ses mesureset devrait fournir au moins 3 autres relevés completsdu ciel : prévu pour durer 12 mois (soit 2 relevéscomplets du ciel), Planck devrait finalement obser-ver le ciel pendant 34 mois grâce aux excellentes per-formances de son système cryogénique. Le principalobstacle qui limite la précision de la cartographie del’émission du fond cosmologique sur le ciel entier estle fait qu’elle se superpose à l’émission provenant dumilieu interstellaire de notre propre galaxie. Le partipris de Planck a été de ne pas concentrer tous les

comparables aux modèles théoriques (Kelvin parexemple par le biais de l’électronvolt). Une partiede cet étalonnage a été effectuée au sol, notammentà l’Institut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay. Uneautre partie ne peut s’effectuer qu’en vol et nécessitede connaître les caractéristiques de certaines sourcesastrophysiques pour caractériser Planck au momentoù il les observe. Une difficulté est que l’on doits’appuyer sur des mesures effectuées par d’autresinstruments, qui ont eux-mêmes des sources d’incer-titude de nature différente qu’il faut connaître etprendre en compte. Viennent ensuite les difficultésliées à la technique. Il y a tout d’abord le « rapportsignal sur bruit» des données qui est très faible, mal-gré l’extrême sensibilité des détecteurs de Planck.Ceci a deux conséquences : il faut acquérir un grandnombre de mesures pour réduire le bruit statistique,donc gérer un gros volume de données (plusieurstéraoctets); certains traitements ne peuvent se fairequ’avant la projection sur les cartes et souffrent doncde l’incertitude sur les échantillons individuels. Il y aégalement des difficultés d’ordre algorithmique. Lesopérations mathématiques de traitement du signalou d’extraction de l’information sont complexes etcoûteuses en ressources informatiques, et requièrentl’utilisation de supercalculateurs pour être menéesdans des délais à échelle humaine. Le faible rapportsignal sur bruit des données instantanées, même si lescartes finales sont dominées par le signal, implique lerecours à de nombreuses simulations et des estima-tions statistiques dits Monte-Carlo, car basés sur desprocédés aléatoires, qui sont donc nécessairementlongs et complexes à mettre en œuvre. Ils nécessitentà chaque fois de remonter toute la chaine de traite-ment pour voir l’impact d’un paramètre sur les pro-duits finaux. Planck s’appuie sur une infrastructureinformatique spécialement développée, ainsi que surdes ordinateurs massivement parallèles à l’Institutd’Astrophysique de Paris (IAP) - cluster dédié àPlanck de 1 128 cœurs, offrant 13 Teraflops - et des

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Le premier ciel complet observé par Planck durant sapremière année.

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détecteurs aux fréquences où le fond cosmologiqueest le plus fort, mais d’étendre le domaine spectralvers des fréquences où l’émission Galactique estdominante, spécifiquement pour être en mesure demieux la comprendre et ainsi optimiser sa soustrac-tion. De ce fait, Planck est un projet majeur pourl’étude du milieu interstellaire de la Voie Lactéepuisqu’il fournit des cartes du ciel complet dans undomaine de fréquences pratiquement vierge pourl’astrophysique Galactique (figure 10). Parce quePlanck est équipé de filtres polariseurs, il permetaussi pour la première fois de sonder la structuredu champ magnétique dans le milieu interstellaire.Cette avancée est majeure car le champ magné-tique joue un rôle indéniable dans l’organisation etla dynamique de la matière interstellaire. Une desquestions principales qui anime les recherches enastrophysique est celle de la formation des étoiles.Le processus qui transforme la matière interstellairechaude et diffuse en étoiles est complexe et il faitintervenir plusieurs étapes clés que Planck per-met d’étudier. Avec sa grande couverture spectrale,Planck détecte l’émission de la poussière interstel-laire, ces petits grains qui sont chauffés par le rayon-nement des étoiles et qui irradient dans le domaineinfrarouge et submillimétrique. Planck détecte aussil’émission des électrons libres (rayonnement defreinage) situés dans les régions les plus chaudesdu milieu interstellaire et l’émission des rayonscosmiques spiralant autour des lignes du champmagnétique Galactique (rayonnement synchrotron).La combinaison de ces émissions permet d’avoir unevue détaillée de milieu interstellaire, révélant ainsicertains secrets des différentes étapes de l’évolutionde la matière interstellaire qui mènent à la formationdes étoiles. Planck permet entre autre d’étudier lesnuages interstellaires les plus diffus, ceux où débutele processus de condensation du gaz. Ces nuages, quicomposent la majeure partie de la matière inters-tellaire, sont le lieu des toutes premières étapes dela formation des étoiles. Ce milieu est turbulent,magnétique et en proie à de fortes transitions dephases. La lumière émise par la poussière interstel-laire et détectée par Planck permet de cartographierdirectement la structure de ces nuages mais aussi lastructure du champ magnétique. Pour la premièrefois Planck nous donne accès sans ambigüité à lastructure du milieu interstellaire diffus façonnée parcette physique complexe, non-linéaire et chaotique,et donc de mieux comprendre les conditions initialesde la formation des étoiles. Planck permet égalementl’étude des régions les plus denses de notre Galaxie,là où naissent les étoiles. Les données permettrontd’apporter des éléments de réponse à l’une desgrandes questions de l’astrophysique qui concerne lacompétition entre l’effondrement gravitationnel descœurs denses qui donnent naissance aux étoiles, et lerayonnement puissant des premières étoiles forméesqui chauffent et dispersent le nuage dont elles sontissues, limitant ainsi le potentiel de formation desnuages.

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Image composite multi-fréquences d’un superamas de galaxiesdécouvert par Planck (à gauche, le rouge signifiant un excèsd’émission dû à l’effet Sunyaev-Zel’dovich dans le domaine desondes submillimétriques) comparée à l’image dans le domaine desrayons X obtenue avec le satellite XMM-Newton (à droite). Lescontours blancs indiquent les régions où l’émission en rayons Xest de même intensité. La taille de l’image est d’environ 15 x 15minutes d’arc sur le ciel, la moitié de la taille de la Lune.

Poussières froides détectées par Planck dans une région denotre Galaxie (couvrant environ 50 par 50 degrés carrés).Le plan de notre Galaxie est visible comme une bande brillantehorizontale au quart inférieur de l’image. L’image est unecomposition de l’émission observée à l’aide du satellite IRAS à100 microns de longueur d’onde (violet) et des données Planck(orange et rouge) à 350 microns (857 GHz) et 550 microns(543 GHz).

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Les plus grandes structuresde l’Univers

Au cours de leur parcours à travers l’univers, lesphotons du rayonnement fossile interagissent avec lamatière qu’ils rencontrent. Ces interactions laissentdes empreintes chargées d’informations précieusessur l’évolution de l’univers. C’est notamment lecas de l’effet Sunyaev-Zel’dovich (SZ)* (encadré 6)produit par l’interaction des photons avec le gazchaud des amas de galaxies. Le satellite Planck estde ce fait unique et idéal pour observer dans ladirection des amas de galaxies l’effet SZ. Les pre-mières observations de l’intégralité du ciel tout justeachevées nous ont déjà permis de découvrir de nou-veaux amas de galaxies, voire des structures encoreplus grandes : des superamas de galaxies. Environ200 amas viennent d’être publiés. Un programmed’observations complémentaires alloué par le res-ponsable scientifique du satellite XMM-Newton,a permis de confirmer la découverte de nouveauxamas. En particulier, les observations faites avecXMM-Newton d’un «candidat amas» ont révéléqu’il était en réalité un superamas constitué d’aumoins trois amas de galaxies (figure 11). C’est la toutepremière fois que l’on découvre un superamas degalaxies grâce à l’effet Sunyaev-Zel’dovich. L’autreatout essentiel de l’objet Planck réside dans le faitque c’est la seule expérience capable d’observer leciel entier et donc de former une image des grandeséchelles angulaires en plusieurs couleurs dans lesondes millimétriques. Ceci est mis en évidence demanière éloquente par l’image composite multi-

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Un champ de 26 degrés carrés (soit environ 130 fois la Lune)observé par Planck à 350 microns de longueur d’onde dans lequelapparaissent des fluctuations liées aux grandes structures degalaxies format des étoiles.

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L’amas Coma, bien étudié, est très chaud et contient un millierde galaxies identifiées. Il présente une émission forte dans ledomaine des rayons X (image de droite) obtenue avec le satelliteROSAT, et montre un effet Sunyaev-Zel’dovich fort et étendu(image composite multi-fréquences de gauche) obtenue avecPlanck..

La frise d’images en haut illustrel’effet dans le cas d’un amas degalaxie connu et proche, Abell 2319.La variation de couleur due de l’effetSunyaev-Zel’dovich SZ est observéeavec les deux instruments de Planck,

LFI et HFI, de 44 à 545 GHz. Le signalnégatif (zone sombre centrale) est indi-qué en bleu alors que le signal positif(zone brillante centrale) est indiqué enrouge. Le schéma en dessous montrela perte ou le gain en énergie, d’un

point de vue théorique, dus à l’effet SZ(bandes de sensibilité de LFI à 44 et70 GHz en bleu clair, bandes de sen-sibilité de HFI de 100 à 545 GHz enbleu foncé). L’accord entre prédictionet observation est remarquables !

6 Illustration de l’effet Sunyaev-Zel’dovich (SZ)

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ou fond diffus infrarouge, voir Plein Sud Spécialrecherche 2008-2009) (figure 13). L’étude de cesémissions est utile pour comprendre comment lamatière ordinaire s’agence à grande échelle avecla matière noire pour former les galaxies. Ainsi lamission Planck est une formidable aventure scienti-fique, technique et humaine longue d’une quinzained’années ayant comme résultante en mai 2009, lelancement d’un satellite innovant et performant. Enl’espace d’un an et demi, celui-ci a déjà cartographiéle ciel dans son intégralité renvoyant ainsi aux scien-tifiques rattachés au projet les prémices d’une révo-lution scientifique, à venir puisqu’il lui reste encoreun an pour accumuler toutes les données nécessairesà la résolution des plus grands mystères de notreUnivers. Les premiers résultats scientifiques publiésen janvier 2011 confirment ces attentes. "

Cosmologie :Etude de l’Univers dans son ensem-ble : son histoire, sa structure et sonévolution.

Effet Sunyaev-Zel’dovich(SZ) :Il s’agit de l’interaction entre lesphotons issus du FDC avec le gazchaud présent à l’intérieur des amasde galaxies provoquant des légerschangements de fréquence des pho-tons. L’effet SZ est très caractéris-tique, car, observé aux fréquencesinférieures à 217 GHz (soit 1,3mm de longueur d’onde), il apparaîtcomme une zone donnée du ciel plussombre que la moyenne (signal néga-tif) mais il est plus brillant (signalpositif) aux plus hautes fréquences.L’effet est nul à la fréquence 217GHz, il n’y a alors pas de variation debrillance.

Energie noire :Il existe une forme d’énergie incon-nue en laboratoire qui emplirait l’uni-vers lors de son expansion. C’est,aujourd’hui, la forme d’énergie la plusabondante.La mission Planck pourrait nous per-mettre une analyse combinée de plu-sieurs observations cosmologiqueset mettre en évidence les propriétésatypiques et inconnues de l’énergienoire.

Fluctuation quantique :Phénomène caractéristique de la phy-sique à petite échelle. Comportementéminemment imprévisible d’un système.

Fond cosmique diffus (FDC) :Il s’agit de la plus ancienne lumiè-re encore présente dans l’Univers.Datée à 380 000 ans après le BigBang, elle correspond au momentoù l’Univers devient transparent, lalumière est alors aisément diffuséedans le milieu. Le FDC est aussiappelé rayonnement fossile.

Matière noire :L’existence de la matière noire a étémise en évidence grâce à la vitessede rotation des étoiles autour ducentre de la galaxie. En déterminantla masse visible de l’ensemble denotre galaxie on obtient une vitessethéorique de rotation des étoilesautour du centre de la galaxie puis-que la vitesse et la masse sont pro-portionnelles. Cependant, d’après lesobservations faites, cette vitesseest beaucoup plus grande. La massede la galaxie est donc plus élevée, cequi suggère l’existence d’une matiè-re appelée « noire » car elle n’émetaucune lumière et nous est donc invi-sible. Il existe d’autres observationsindépendantes confirmant la pré-sence de ce qui peut être interprétécomme de la matière noire.

Onde gravitationnelle :C’est une onde associée à la force degravité, se propageant à la vitessede la lumière. L’onde gravitationnelleémise consiste en une intime pertur-bation de la trame de l’espace et dutemps. Elle posséderait une particulemessagère véhiculant l’interaction :le graviton (analogue du photon avecles ondes électromagnétiques). Detels phénomènes n’ont encore jamaisété observés directement.

Point L2 de Lagrange :Il s’agit du point situé sur l’axe reliantle Soleil et la Terre pour lequel unobjet (ici le satellite), d’une massetrès inférieure par rapport à cellede la Terre, reste en quasi-équilibre.Afin d’éviter toute nuisance due aurayonnement direct du Soleil, de laTerre et de la Lune, on place certainssatellites d’observation de l’Univers(comme Planck, mais aussi Herschel,WMAP et d’autres en projet) en cepoint distancé à 1,5 millions de kilo-mètres au delà de la Terre.

Polarisation de la lumière :En plus de l’intensité, la lumière peuttransporter de l’information par sonétat de polarisation. Assimilable àune orientation, la lumière gardeainsi une mémoire plus riche de lafaçon dont elle interagit avec l’envi-ronnement.

Glossaire

fréquences de l’amas Coma obtenue avec Planck etcomparée à l’émission dans le domaine des rayons Xdu gaz chaud obtenue par le satellite ROSAT (figure12). Coma est un amas bien étudié, qui couvre plusde 2 degrés sur le ciel, c’est à dire plus de quatre foisla taille apparente angulaire de la Lune. Il est trèschaud et présente donc une émission forte dans ledomaine des rayons X (image de droite) ainsi qu’uneffet SZ fort et étendu (image de gauche). Grâce àces deux images, X et SZ, et en utilisant des obser-vations à d’autres longueurs d’onde – visible ouinfrarouge, il est possible d’en apprendre beaucoupplus sur les processus physiques en action dans cesobjets exceptionnels. Enfin, Planck vient de décou-vrir l’émission de galaxies très lointaines en trainde former des étoiles, dans une « lueur cosmique degalaxies » (appelée rayonnement extragalactique,

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comment concevoir un - Institut d'Astrophysique Spatiale · montrer la faisabilité du projet de bout en bout!! necessité du soutien de l’agence nationale (R&D etc)!! aspects scientiﬁques,