BISOU passe en Phase A

Le 28 mai, le CNES a officiellement confirmé le passage en Phase A pour le projet de ballon stratosphérique BISOU. L'étude sera menée au cours des deux prochaines années et marque une étape décisive vers une ambitieuse future mission spatiale d’un spectromètre pour l’étude du fond diffus cosmologique (CMB – Cosmic Microwave Background) dans le cadre du programme Voyage 2050 de l’ESA.
 
Les découvertes exceptionnelles sur l'évolution et les propriétés de notre univers faites par les missions spatiales COBE, WMAP et Planck, ainsi que par les nombreuses expériences CMB suborbitales ou au sol, notamment Boomerang, Archeops, CBI, VSA, ACT, SPT et BICEP, ont ouvert de nombreux nouveaux domaines de recherche au cours des dernières décennies. Trente ans après la première mesure précise du spectre du fond diffus cosmologique (CMB) par l'instrument COBE/FIRAS, nous sommes aujourd'hui dans une position unique pour faire progresser les mesures du spectre d'énergie du CMB de plusieurs ordres de grandeur, permettant ainsi de franchir des étapes décisives vers la détection des signaux attendus dans le cadre du modèle Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM).
 
Bien que COBE ait démontré que le spectre d’énergie moyen du CMB suit celui d'un corps noir presque parfait à une température de T = 2,7255 ± 0,0006 K, la théorie prévoit de petits écarts par rapport à la loi de Planck, connus sous le nom de distorsions spectrales.
 
La mesure de ces distorsions constituera un moyen unique de retracer l'histoire thermique de notre univers, afin de mieux comprendre la théorie de l'inflation, la formation des structures et la physique des particules. Cette perspective fait de la mesure de haute précision du spectre du CMB l'une des priorités de la cosmologie expérimentale et de l'astrophysique, comme l'ont clairement reconnu plusieurs agences spatiales.
 
Pour faire progresser le champ de recherche de FIRAS jusqu'aux mesures de distorsions spectrales avec une future mission spatiale, une sensibilité sans précédent et un contrôle des erreurs systématiques sont nécessaires. Cela exige un nouveau concept d'instrument qui doit être consolidé et validé en laboratoire, éventuellement en utilisant un précurseur.
 
Une équipe de chercheurs internationale a mené une étude de phase 0 avec le CNES pour étudier la possibilité d'une première mesure de distorsion à partir d'un ballon stratosphérique. BISOU (Balloon Interferometer for Spectral Observations of the primordial Universe, [1,2,3]) est conçu comme un spectromètre différentiel embarqué sous ballon, qui capitalise sur l'héritage de FIRAS et bénéficie directement d'études antérieures réalisées dans le cadre des propositions des missions PIXIE (NASA), PRISTINE (ESA) et FOSSIL (ESA). BISOU est coordonné par le Pr Bruno Maffei et l'équipe Cosmologie de l'IAS et représente un effort concerté de plusieurs laboratoires en France, en Italie, en Irlande, au Royaume-Uni, aux États-Unis et au Japon.
 
Outre son rôle de précurseur dans le développement de technologies clés et la consolidation du concept de mesure à l'aide d'un spectromètre à transformée de Fourier (FTS), les objectifs scientifiques de BISOU comprennent la première détection du monopôle de distorsion spectrale de type-y [4,5], la mesure de la température du CMB avec une plus grande précision, et l’établissement d'une meilleure contrainte sur l'intensité totale du fond diffus infrarouge (CIB) [6]. Il apportera également un nouvel éclairage sur l'origine de l'excès radio détecté par ARCADE [7] et permettra d'écarter les modèles d'univers primitif présentant une puissance accrue à petite échelle ou des particules reliques exotiques. Ces perspectives passionnantes rassembleront la communauté scientifique autour d'un projet d’avant-garde visant à préparer la prochaine génération de chercheurs et d'ingénieurs en prévision d'une future mission spatiale.
 
La phase 0 a démontré la viabilité d'une telle mission en ballon et a consolidé les objectifs scientifiques de BISOU. En conséquence, l'étude de phase A débutera en juin 2024 pour finaliser le concept détaillé de ce projet de ballon stratosphérique, mais aussi permettre l'émergence d'un concept de futur observatoire spatial des distorsions spectrales du CMB.
 
En parallèle, grâce à un cofinancement du CNES et du programme DIM-ORIGINES de la région Île-de-France, un banc d’essai cryogénique sera développé à l'IAS. Il permettra d'étudier les différents sous-systèmes ainsi que l'instrument dans son ensemble et de réaliser des prototypes.  Cette étape sera cruciale pour comprendre les erreurs systématiques de ce nouveau concept de mesure afin d'atteindre la haute sensibilité requise.
 
L'IAS s'appuie sur l'héritage acquis au cours des années Planck-HFI, mais aussi sur des programmes de R&D plus récents, pour ouvrir la voie à de nouveaux objectifs scientifiques.
 
Contacts: Bruno Maffei & Nabila Aghanim
 
 

[1] X. Coulon et al. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024EPJWC.29300012C/abstract

[2] B. Maffei et al. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023mgm..conf.1633M/abstract

[3] B. Maffei et al. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022SPIE12190E..0AM/abstract

[4] Chluba, J., Abitbol, M.H., Aghanim, N. et al. New horizons in cosmology with spectral distortions of the cosmic microwave background. Exp Astron 51, 1515–1554 (2021). https://doi.org/10.1007/s10686-021-09729-5

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background_spectral_distortions

[6] Hauser and Dwek, 2001, https://doi.org/10.1146/annurev.astro.39.1.249, https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March03/Dwek2/Dwek1.html

[7] D. J. Fixsen et al 2011 ApJ 734 5