Les télescopes Magellan de l'observatoire Carnegie de Las Campanas au Chili, qui étaient essentiels à la capacité de mener cette enquête. Crédit :Youri Beletsky, l'Institution Carnegie pour la science.
L'univers regorge de milliards de galaxies, mais leur répartition dans l'espace est loin d'être uniforme. Pourquoi voyons-nous tant de structure dans l'univers aujourd'hui et comment tout cela s'est-il formé et grandi ?
Une étude de 10 ans sur des dizaines de milliers de galaxies réalisée à l'aide du télescope Magellan Baade de l'observatoire Carnegie de Las Campanas au Chili a fourni une nouvelle approche pour répondre à ce mystère fondamental. Les résultats, dirigé par Daniel Kelson de Carnegie, sont publiés dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .
« Comment décrivez-vous l'indescriptible ? demande Kelson. "En adoptant une approche entièrement nouvelle du problème."
"Notre tactique fournit de nouvelles informations intuitives sur la façon dont la gravité a conduit la croissance de la structure depuis les premiers temps de l'univers, " a déclaré le co-auteur Andrew Benson. " Il s'agit d'un test basé sur l'observation de l'un des piliers de la cosmologie."
Le Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey a été conçu pour étudier la relation entre la croissance des galaxies et l'environnement environnant au cours des 9 derniers milliards d'années, lorsque les apparences des galaxies modernes ont été définies.
Les premières galaxies se sont formées quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, qui a commencé l'univers comme un chaud, soupe trouble de particules extrêmement énergétiques. Au fur et à mesure que ce matériau s'est étendu vers l'extérieur à partir de l'explosion initiale, il a refroidi, et les particules ont fusionné en gaz hydrogène neutre. Certaines taches étaient plus denses que d'autres et, finalement, leur gravité a surmonté la trajectoire extérieure de l'univers et le matériau s'est effondré vers l'intérieur, formant les premiers amas de structure dans le cosmos.
Les différences de densité qui ont permis à des structures à la fois grandes et petites de se former à certains endroits et pas à d'autres ont été un sujet de fascination de longue date. Mais jusqu'à maintenant, Les capacités des astronomes à modéliser la croissance de la structure dans l'univers au cours des 13 derniers milliards d'années se sont heurtées à des limitations mathématiques.
"Les interactions gravitationnelles qui se produisent entre toutes les particules de l'univers sont trop complexes pour être expliquées avec de simples mathématiques, " a déclaré Benson.
Donc, les astronomes ont utilisé soit des approximations mathématiques - qui compromettaient la précision de leurs modèles - soit de grandes simulations informatiques qui modélisent numériquement toutes les interactions entre les galaxies, mais pas toutes les interactions se produisant entre toutes les particules, ce qui était considéré comme trop compliqué.
La première structure de l'univers est née lorsqu'une partie de la matière projetée vers l'extérieur par le Big Bang a surmonté sa trajectoire et s'est effondrée sur elle-même, formant des touffes. Une équipe de chercheurs de Carnegie a montré que des amas de matière plus denses se développaient plus rapidement, et les touffes moins denses croissent plus lentement. Les données du groupe ont révélé la distribution de la densité dans l'univers au cours des 9 derniers milliards d'années. (Sur l'illustration, le violet représente les régions à faible densité et le rouge représente les régions à haute densité.) En remontant dans le temps, leurs résultats révèlent les fluctuations de densité (extrême droite, en violet et bleu) qui a créé la première structure de l'univers. Cela correspond à ce que nous savons de l'univers ancien depuis la rémanence du Big Bang, appelé le fond cosmique des micro-ondes (à l'extrême droite en jaune et vert). Les chercheurs ont obtenu leurs résultats en arpentant les distances et les masses de près de 100, 000 galaxies, remonter à une époque où l'univers n'avait que 4,5 milliards d'années. Environ 35, 000 des galaxies étudiées par le Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey sont représentées ici sous forme de petites sphères. Crédit :Daniel Kelson. Les données du CMB sont basées sur des observations obtenues avec Planck, une mission scientifique de l'ESA avec des instruments et des contributions directement financés par les États membres de l'ESA, Nasa, et canadien.
"Un objectif clé de notre étude était de compter la masse présente dans les étoiles trouvées dans une énorme sélection de galaxies lointaines, puis d'utiliser ces informations pour formuler une nouvelle approche pour comprendre comment la structure s'est formée dans l'univers, " expliqua Kelson.
L'équipe de recherche, qui comprenait également Louis Abramson de Carnegie, Shannon Patel, Stephen Shectman, Alain Dressler, Patrick McCarthy, et John S. Mulchaey, ainsi que Rik Williams, maintenant d'Uber Technologies - a démontré pour la première fois que la croissance des proto-structures individuelles peut être calculée et ensuite moyennée sur tout l'espace.
Faire cela a révélé que les touffes plus denses se sont développées plus rapidement, et les touffes moins denses croissent plus lentement.
Ils ont ensuite pu travailler en arrière et déterminer les distributions originales et les taux de croissance des fluctuations de densité, qui deviendraient finalement les structures à grande échelle qui ont déterminé les distributions des galaxies que nous voyons aujourd'hui.
En substance, leur travail a fourni un simple, pourtant précis, description de pourquoi et comment les fluctuations de densité se développent comme elles le font dans l'univers réel, ainsi que dans le travail informatique qui sous-tend notre compréhension de l'enfance de l'univers.
"Et c'est tellement simple, avec une vraie élégance, " a ajouté Kelson.
Les résultats n'auraient pas été possibles sans l'attribution d'un nombre extraordinaire de nuits d'observation à Las Campanas.
"Beaucoup d'institutions n'auraient pas eu la capacité de prendre en charge à elles seules un projet de cette envergure, " a déclaré le directeur des observatoires John Mulchaey. " Mais grâce à nos télescopes Magellan, nous avons pu réaliser cette enquête et créer cette nouvelle approche pour répondre à une question classique."
« S'il ne fait aucun doute que ce projet a nécessité les ressources d'une institution comme Carnegie, notre travail n'aurait pas non plus pu avoir lieu sans le nombre considérable d'images infrarouges supplémentaires que nous avons pu obtenir à Kit Peak et Cerro Tololo, qui font tous deux partie du Laboratoire national de recherche en astronomie optique-infrarouge de la NSF, " ajouta Kelson.
