FOSSIL: A future mission for CMB spectral distortion measurements

L'univers est rempli d'une lueur résiduelle faible et ancienne connue sous le nom de fond diffus cosmique. Ce rayonnement est la plus ancienne lumière que nous puissions voir, un instantané du cosmos lorsqu'il n'avait que quelques centaines de milliers d'années. Pendant des décennies, les astronomes ont étudié les infimes variations de température dans cette lueur, qui agissent comme une carte de la structure de l'univers primordial. Ces cartes nous en ont beaucoup appris sur la formation des galaxies et sur la composition de l'univers. Cependant, cette lumière n'est pas parfaitement uniforme dans son énergie. Tout comme une surface parfaitement lisse pourrait présenter des ondulations microscopiques, cette lumière ancienne porte des distorsions subtiles dans son spectre — le mélange spécifique de couleurs ou de fréquences qui composent la lumière. Ces distorsions ne sont pas aléatoires ; elles sont les empreintes digitales d'événements violents et énergétiques survenus bien avant l'allumage des premières étoiles, tels que la dissipation des ondes sonores dans le plasma primordial ou le chauffage du gaz par les premiers trous noirs.

Si la carte de température a été explorée en détail, le spectre lui-même est resté largement non mesuré avec précision depuis les années 1990. La compréhension actuelle est que l'univers aurait dû laisser derrière lui des déviations spécifiques et minuscules par rapport à une lueur thermique parfaite, mais ces signaux sont incroyablement faibles, enfouis sous le bruit de nos instruments et le premier plan brillant de notre propre galaxie. Pour les trouver, les scientifiques ont besoin d'un outil bien plus sensible que tout ce qui existe actuellement dans l'espace. C'est le défi auquel un nouveau projet, appelé FOSSIL, entend répondre. L'article expose un plan pour une mission spatiale conçue pour écouter l'histoire thermique de l'univers avec une clarté sans précédent, en recherchant les faibles échos de la physique survenue dans les premiers instants après le Big Bang.

La proposition décrit un engin spatial qui transporterait un instrument spécialisé capable de mesurer l'intensité de la lumière du ciel à travers une vaste gamme de fréquences, de 50 gigahertz à 2 térahertz. Cette plage couvre tout, des ondes radio à la lumière de l'infrarouge lointain. Le cœur de la mission est un dispositif connu sous le nom de spectromètre à transformée de Fourier. Au lieu de prendre une photo du ciel, cet instrument agit comme une balance ultra-sensible, pesant l'énergie de la lumière à différentes fréquences. Pour ce faire avec la précision nécessaire, l'instrument entier doit être refroidi à une température juste au-dessus du zéro absolu, environ 4,5 Kelvin, pour éviter que le dispositif lui-même ne brille et n'étouffe le faible signal cosmique. Encore plus froid, à 50 millièmes de Kelvin, se trouvent les détecteurs qui captent la lumière. Ces détecteurs sont si sensibles qu'ils peuvent enregistrer l'énergie de photons individuels.

Une partie critique de la conception est la manière dont l'instrument compare le ciel à une référence connue. Le vaisseau spatial basculera constamment sa vue entre les profondeurs froides de l'espace et une référence de corps noir interne — une petite source de chaleur contrôlée qui imite la température du fond cosmique. En comparant la lumière du ciel à cette référence interne, l'instrument peut annuler ses propres imperfections et mesurer la luminosité absolue de l'univers avec une extrême précision. L'article détaille une stratégie où le vaisseau spatial tourne lentement, balayant l'ensemble du ciel sur le cours d'une année. Ce mouvement de rotation, combiné au basculement entre le ciel et la référence interne, permet à l'équipe de construire une carte complète et de haute fidélité du spectre cosmique.

Les auteurs présentent des prévisions détaillées montrant que cette mission serait environ mille fois plus sensible que les meilleures mesures précédentes prises par le satellite COBE dans les années 1990. Ce bond de sensibilité n'est pas seulement une réussite technique ; il ouvre une fenêtre sur une physique qui est actuellement invisible. L'article suggère qu'en mesurant ces distorsions spectrales, les scientifiques pourraient tester les théories sur les tout premiers moments de l'univers, spécifiquement la période d'expansion rapide connue sous le nom d'inflation. Ils pourraient déterminer si l'univers était lisse à très petite échelle ou s'il y avait eu des poussées d'énergie qui ont créé des ondulations dans le tissu de l'espace-temps. De plus, la mission pourrait révéler la nature de la matière noire. Si les particules de matière noire se désintègrent ou s'annihilent, elles libéreraient de l'énergie qui chaufferait l'univers primordial, laissant une signature spécifique dans le spectre que FOSSIL pourrait détecter.

L'article explore également comment ces données pourraient aider à résoudre le mystère de la formation des premiers trous noirs massifs. Certaines théories suggèrent que ces géants ont commencé comme des germes créés par d'énormes fluctuations dans l'univers primordial, ce qui laisserait une marque distincte sur le spectre cosmique. En mesurant la quantité d'énergie injectée dans le gaz de l'univers primordial, la mission pourrait également nous dire comment les étoiles et les galaxies ont chauffé leur environnement, un processus connu sous le nom de rétroaction (feedback). Cela aiderait les astronomes à comprendre comment l'univers est passé d'une soupe chaude et uniforme au réseau complexe de galaxies que nous voyons aujourd'hui.

Au-delà des questions cosmologiques les plus profondes, la mission fournirait également un trésor de données pour d'autres domaines de l'astronomie. La large couverture de fréquence de l'instrument permettrait de cartographier la poussière de notre propre galaxie avec une grande précision, aidant à comprendre le cycle de vie des étoiles et la formation des planètes. Elle pourrait également mesurer la lueur totale de l'univers provenant de toute la formation stellaire obscurcie par la poussière qui ait jamais eu lieu, une quantité connue sous le nom de fond infrarouge cosmique. L'article note que la mission serait capable de détecter la lumière intégrée de raies chimiques spécifiques, telles que celles du monoxyde de carbone et du carbone ionisé, fournissant un recensement du gaz dans les galaxies lointaines pendant le « midi cosmique », une période où la formation d'étoiles était à son apogée.

La proposition est un effort collaboratif impliquant des centaines de chercheurs de dix-neuf pays, visant un lancement autour de 2041 dans le cadre du programme de mission de classe moyenne de l'Agence spatiale européenne. Les auteurs soulignent que, bien que la technologie repose sur des principes éprouvés, l'échelle et la sensibilité requises sont nouvelles. Ils ont modélisé de manière extensive les performances de l'instrument, montrant qu'il peut distinguer différents modèles théoriques de l'univers primordial. L'article conclut que les distorsions spectrales sont un outil puissant et complémentaire aux cartes de température dont nous disposons déjà. En mesurant le contenu énergétique de l'univers avec ce nouveau niveau de précision, FOSSIL a le potentiel de confirmer le modèle standard de la cosmologie ou, plus excitant encore, de révéler une nouvelle physique qui défie notre compréhension actuelle de la façon dont l'univers a commencé et a évolué.