Planck est un observatoire spatial développé par l'Agence spatiale européenne (ESA) avec une participation de l'agence spatiale américaine, la NASA. La mission du satellite est de cartographier les infimes variations de température (ou d'intensité) du fond diffus cosmologique, rayonnement dans le domaine micro-onde montrant l'Univers tel qu'il est après le Big Bang. La mission Planck est sélectionnée en 1996 pour être la troisième mission de taille moyenne du programme scientifique de l'ESA Horizon 2000.

Le rayonnement étudié ne peut être observé de manière suffisamment précise que depuis l'espace. Deux satellites de la NASA dressent une première carte du rayonnement fossile. Planck, lancé le par un lanceur Ariane 5, a comme objectif grâce à son instrument principal HFI refroidi à 0,1 kelvin de dresser une carte 20 à 30 fois plus précise que ses prédécesseurs. La collecte des données par HFI s'achève en après épuisement des isotopes hélium 3 et hélium 4 servant à refroidir les bolomètres utilisés comme détecteurs.

Une première interprétation complète des données collectées est présentée en . Les résultats complets sont rendus publics en et publiés au début de 2015Agence spatiale européenne, "Planck Publications: Planck 2015 Results". Les paramètres cosmologiques qui décrivent l'Univers actuel et son histoire, tels que l'âge de l'Univers et sa composition initiale, sont affinés grâce à la précision inégalée des données recueillies par Planck. Ces éléments permettent de mieux comprendre certains aspects de la physique de l'Univers primordial, ainsi que le mode de formation des structures à grande échelle de l'Univers. Dans l'ensemble, les données de Planck confirment la théorie de l'inflation cosmique, un des piliers du modèle standard de la cosmologie, la théorie la plus couramment admise concernant le mode de formation de l'Univers observable.

Contexte

Le satellite Planck observe deux types de rayonnement qui constituent les principales sources d'information sur la structure de l'Univers à ses débuts : le fond diffus cosmologique dans le domaine spectral des micro-ondes qui reflète la structure de l'Univers primordial et le fond diffus infrarouge qui nous renseigne sur la formation des structures à grande échelle de l'Univers (galaxies et amas de galaxies) les plus anciennes.

Le fond diffus cosmologique, photo de l'Univers primordial

thumb|Fond diffus cosmologique (micro-ondes) tel que révélé par le télescope Planck. Au cours des millénaires qui suivent le Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années, la matière de l'Univers primordial est en équilibre thermique, et baigne dans un rayonnement électromagnétique de corps noir, dont la longueur d'onde du pic d'émission est liée à la température de la matière. Mais celle-ci est à l'époque très chaude et très dense : elle se comporte comme un plasma et les photons associés à ce rayonnement ne peuvent se déplacer que sur des distances très courtes, car ils interagissent immédiatement avec la matière : l'Univers est opaque.

Immédiatement après le Big Bang, l'Univers commence à se dilater et donc à se refroidir. Au bout de , cette évolution produit le découplage du rayonnement : la température a suffisamment baissé pour que les électrons libres s'associent aux noyaux atomiques, formant des atomes. Dans ce nouvel état, la matière n'empêche plus les photons de se déplacer et le rayonnement qui existe au moment de cet événement se diffuse. Initialement, le rayonnement est celui d'un gaz chaud dont la température est de ().Il se situe alors dans le spectre du proche infrarouge, mais avec l'expansion de l'Univers, son énergie diminue (effet Doppler) et, à notre époque, 13 milliards d'années après son apparition, ce rayonnement est celui d'un corps noir à la température extrêmement basse de 2,726 kelvins (). Ce rayonnement diffus cosmologique, dont la longueur d'onde du pic d'émission est de (fréquence de ), se situe dans un spectre intermédiaire entre l'infrarouge lointain (10 à 100 micromètres) et les micro-ondes (ondes centimétriques).

Ce rayonnement, dit fossile, continue à nous parvenir pratiquement inchangé depuis son émission. Il constitue une photo de l'Univers, tel qu'il existait au moment où les photons ont été libérés. Les caractéristiques du rayonnement apportent des informations sur les principaux paramètres de l'Univers : son âge, sa composition, sa géométrie... Ce rayonnement n'est pas parfaitement homogène : en fonction de la direction observée, apparaissent de petites fluctuations (anisotropies) dans le spectre qui reflètent des différences de température et de densité de la matière dans l'Univers au moment de la libération des photons : selon les principales théories qui restent à confirmer, ces différences de densité sont apparues bien avant, durant l'épisode baptisé inflation cosmique qui se situe dans les premières fractions de seconde après le Big Bang. L'ordre de grandeur de ces variations est très faible (1/10 000), mais, sous l'influence notamment de la pesanteur, elles constituent les germes de la concentration de la matière dans des points privilégiés, et sont donc directement à l'origine des grandes structures de l'Univers qui apparaissent par la suite : galaxies, amas de galaxies.

Le fond diffus infrarouge Les premières galaxies se forment à la fin des âges sombres, il y a environ 13 milliards d'années. Le rayonnement émis par ces objets puis par les générations de galaxies suivantes forme un fond diffus, c'est-à-dire que les sources ne peuvent être identifiées précisément. Le maximum d'intensité du rayonnement se situe dans l'infrarouge. Ce fond diffus a une double origine : lumière émise directement par les étoiles (fond optique) et émission des nuages de poussière à la suite de l'échauffement de ceux-ci par le rayonnement des étoiles. Son observation permet de reconstituer l'histoire de la naissance des étoiles et de la formation et de l'évolution des galaxies..

L'observation du fond diffus cosmologique

Le phénomène du fond diffus cosmologique est une des conséquences de la théorie du Big Bang et son existence est prédite en 1948 par le physicien George Gamow. Il est observé accidentellement en 1964 par Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson dans le cadre de recherches sur les émissions radio de la Voie lactée. Dans les années 1980, l'agence spatiale américaine, la NASA, décide de lancer des observatoires spatiaux pour cartographier de manière précise ce rayonnement. (COBE) est placé en orbite en 1992. Les données qu'il recueille confirment sans contestation possible que le rayonnement est celui d'un corps noir et permettent ainsi une validation importante de la théorie du Big Bang. L'observatoire spatial WMAP lancé en 2001 fournit des informations plus précises sur les paramètres de l'Univers primordial et permet de dresser une carte détaillée de la distribution de la matière au moment de l'émission du rayonnement.

Sélection de la mission Planck

En , soit près de quatre ans après le lancement du satellite COBE de la NASA et l'observation par ses instruments des fluctuations d'intensité du fond diffus cosmologique, deux projets d'observatoire spatial consacrés à ce sujet sont proposés dans le cadre du programme scientifique Horizon 2000 de l'Agence spatiale européenne. Le projet COBRAS (Cosmic Background Radiation Anisotropy Satellite) proposé par une équipe italienne utilise des transistors à effet de champ de type HEMT () tandis que SAMBA (SAtellite for Measurement of Background Anisotropies) proposé par une équipe française utilise des bolomètres. Les deux projets sont présélectionnés pour une étude de faisabilité à la condition qu'ils soient fusionnés. En 1996, le projet combiné COBRAS / SAMBA est retenu pour devenir la troisième mission de taille moyenne du programme Horizon 2000.

Le futur observatoire dont le lancement est prévu à l'époque en 2003 est baptisé Planck en hommage au physicien allemand Max Planck, prix Nobel de physique en 1918 et découvreur de la forme du spectre de corps noir dont le fond diffus cosmologique s'avère être la plus parfaite réalisation que l'on puisse trouver dans la nature. Peu après sa sélection, l'Agence spatiale européenne décide pour réduire les coûts de coupler le développement de son observatoire spatial infrarouge Herschel avec Planck. Les deux satellites doivent utiliser le même type de plate-forme, le développement est confié au même industriel et ils sont lancés ensemble par un lanceur Ariane 5. Le constructeur Alcatel Space, devenu depuis Thales Alenia Space, est sélectionné début 2001. L'entreprise, qui assure l'assemblage du satellite dans son Centre spatial de Cannes - Mandelieu, est le maître d’œuvre du programme qui rassemble environ 95 entreprises spatiales réparties dans toute l'EuropeChristian Lardier, Anne Musquère, « Herschel et Planck à la conquête de l'Univers froid », Air & Cosmos, , 8 mai 2009..

Planck emporte deux instruments scientifiques développés par des consortiums scientifiques qui sont définis début 1999. L'instrument HFI est réalisé par un consortium placé sous la direction de Jean-Loup Puget de l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay (France) tandis que l'instrument LFI est réalisé par une équipe de scientifiques dirigé par N. Mandolesi de l'Institut national d'astrophysique situé à Bologne (Italie). Plus d'une quarantaine d'autres organismes de recherches participent au développement des instruments dont la NASA qui fournit les bolomètres et une partie du fluide cryogénique de l'expérience HFI et un des étages permettant de refroidir les capteurs Sorption Cooler (compresseur cryogénique assurant le refroidissement de à ). Un consortium scientifique dirigé et financé par le Danemark est retenu début 2000 pour développer les réflecteurs du télescope. Les capacités de l'observatoire spatial européen Planck en font un engin de troisième génération après les satellites américains COBE et WMAP .

Objectifs scientifiques

Les objectifs scientifiques du satellite Planck sont les suivants : dresser en premier lieu une carte de température du fond diffus cosmologique permettant de détailler les anisotropies (fluctuations) avec un niveau inégalé par rapport à son prédécesseur immédiat WMAP. La sensibilité attendue (précision) sur la température mesurée est de 2 × 10, la résolution angulaire de la carte est de 5 minutes d'arc et la bande spectrale étudiée va de 30 à . ; mesurer des paramètres cosmologiques avec une précision atteignant 1 % ou mieux pour la densité de la matière baryonique ou la proportion de matière noire ; vérifier certaines des hypothèses associées aux modèles d'inflation cosmique ; étudier les amas de galaxies par l'effet Sunyaev-Zel'dovich ; étudier le milieu interstellaire de la Galaxie.

Pour atteindre ces objectifs, il est prévu initialement que la mission dure au minimum 21 mois afin de permettre aux instruments d'effectuer deux observations complètes du ciel.

Caractéristiques techniques du satellite

Le satellite est constitué classiquement de deux sous-ensembles : la plate-forme ou module de service et la charge utile.

La première, un développement commun pour Herschel et Planck, est conçue et fabriquée par Thales Alenia Space dans son usine de Turin, pour les deux satellites Herschel et Planck combinés dans un programme unique, formant un socle cylindrique à huit côtés de faible hauteur, regroupe le système de production et de régulation d'énergie, le système de contrôle d'attitude, le système de gestion des données et des communications et l'électronique (partie chaude) des instruments scientifiques.