Les astrophysiciens ont une compréhension assez précise du vieillissement de l'univers :c'est la conclusion des nouveaux résultats du Dark Energy Survey (DES), une grande collaboration scientifique internationale, y compris des chercheurs du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, qui mettent les modèles de formation et d'évolution des structures cosmiques à l'épreuve la plus précise à ce jour.

Les chercheurs de l'enquête ont analysé la lumière de 26 millions de galaxies pour étudier comment les structures de l'univers ont changé au cours des 7 derniers milliards d'années - la moitié de l'âge de l'univers. Les données ont été prises avec le DECam, un appareil photo de 570 mégapixels attaché au télescope Victor M. Blanco de 4 mètres de l'observatoire interaméricain Cerro Tololo au Chili.

Précédemment, le test le plus précis des modèles cosmologiques est venu de mesures avec le satellite Planck de l'Agence spatiale européenne de ce que l'on appelle le fond diffus cosmologique (CMB) - une faible lueur dans le ciel émise 380, 000 ans après le Big Bang.

"Alors que Planck examinait la structure du tout premier univers, DES a mesuré des structures qui ont évolué beaucoup plus tard, " a déclaré Daniel Gruen, un boursier postdoctoral NASA Einstein au Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), un institut conjoint de l'Université de Stanford et du SLAC. "La croissance de ces structures depuis les premiers âges de l'univers jusqu'à aujourd'hui est en accord avec ce que nos modèles prédisent, montrant que nous pouvons très bien décrire l'évolution cosmique."

Gruen présentera les résultats, qui sont basées sur la première année de données de l'enquête de 5 ans, aujourd'hui lors de la réunion 2017 de la Division of Particles and Fields de l'American Physical Society au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE.

Risa Wechsler, membre du corps professoral du KIPAC, membre fondateur du DES, mentionné, "Pour la première fois, la précision des paramètres cosmologiques clés issus d'un relevé de galaxies est comparable à celles dérivées des mesures du fond diffus cosmologique. Cela nous permet de tester nos modèles indépendamment et de combiner les deux approches pour obtenir des valeurs de paramètres avec une précision sans précédent."

La plus grande carte de distribution de masse

Le modèle standard de la cosmologie, appelé Lambda-CDM, comprend deux ingrédients clés. Matière noire froide (CDM), une forme de matière invisible qui est cinq fois plus répandue que la matière ordinaire, s'agglutine et est au cœur de la formation de structures telles que les galaxies et les amas de galaxies. Lambda, la constante cosmologique, décrit l'expansion accélérée de l'univers, entraînée par une force inconnue appelée énergie noire.

Les astrophysiciens ont besoin de tests précis du modèle car ses ingrédients ne sont pas complètement certains. La matière noire n'a jamais été détectée directement. L'énergie noire est encore plus mystérieuse, et on ne sait pas s'il s'agit réellement d'une constante ou s'il change avec le temps.

DES a maintenant réussi à réaliser un tel test de précision. Les scientifiques ont utilisé le fait que les images de galaxies lointaines sont légèrement déformées par la gravité des galaxies au premier plan - un effet connu sous le nom de lentille gravitationnelle faible. Cette analyse a conduit à la plus grande carte jamais construite pour la distribution de la masse - à la fois la matière régulière et noire - dans l'univers, ainsi que son évolution dans le temps.

"Dans une barre d'erreur inférieure à 5 %, les résultats combinés de Planck et DES sont cohérents avec Lambda-CDM, " a déclaré Wechsler. " Cela signifie également que, jusque là, nous n'avons besoin de rien d'autre que d'une forme constante d'énergie noire pour décrire l'histoire de l'expansion de l'univers."

Principales contributions du KIPAC

En plus de Gruen, qui a dirigé le groupe de travail sur les lentilles faibles, et Wechsler, dont le groupe a fourni des simulations réalistes de l'enquête essentielles pour tester plusieurs aspects de l'analyse cosmologique, un grand nombre de scientifiques du KIPAC, stagiaires postdoctoraux, les étudiants diplômés et les anciens ont apporté des contributions cruciales au DES - de la construction de l'instrument au développement de la théorie et des simulations et à l'analyse des données.

Stagiaire postdoctorale Elisabeth Krause, par exemple, dirige le groupe de travail sur la théorie DES et les sondes combinées. Dans ce rôle, elle a mené la charge dans le développement de modèles théoriques qui correspondent à la précision expérimentale obtenue avec les données DES. Cela impliquait d'écrire des codes informatiques qui calculent à quoi devrait ressembler une lentille gravitationnelle faible pour un modèle donné.

"Différentes personnes développent des codes légèrement différents qui sont censés faire la même chose, ", a-t-elle déclaré. "J'ai aidé à réunir les développeurs de code pour vérifier leurs résultats et m'assurer que nous obtenions les codes théoriques les plus précis possibles."

Une autre clé de la création de la carte de distribution de masse était de déterminer avec précision les distances aux galaxies observées - des informations qui sont généralement dérivées d'enquêtes indépendantes qui analysent les propriétés de la lumière provenant de ces objets ou d'étoiles en explosion.

"Nous avons montré que nous pouvons utiliser la couleur de certaines galaxies rouges - le rouge est la couleur qu'elles auraient si vous étiez juste devant elles - pour déterminer à quelle distance elles se trouvent, " a déclaré Eli Rykoff, scientifique du SLAC, qui a joué un rôle de premier plan dans cette partie de l'analyse. "Il s'avère que si nous cartographions où se trouvent ces galaxies rouges dans le ciel, nous pouvons les utiliser pour calibrer les distances des lentilles et des galaxies de fond utilisées dans l'étude."

Vers des insights cosmiques encore plus profonds

Dans le futur proche, davantage de données DES permettront aux astrophysiciens de tester leurs modèles cosmologiques avec encore plus de précision. L'analyse des données recueillies au cours des trois premières années de l'enquête débutera prochainement, et la cinquième année d'observations sera également bientôt en cours.

Avec des données encore meilleures, les chercheurs ont dit, nous pourrions découvrir si le modèle Lambda-CDM relativement simple doit être modifié.

"Les méthodes développées pour le DES et l'expérience que ses chercheurs acquièrent en cours de route profiteront également au flux naturel d'expériences en constante évolution, " a déclaré David Burke, membre du corps professoral du KIPAC, chef du groupe DES du SLAC.

Les deux prépareront les scientifiques aux futures enquêtes, y compris ceux avec le Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Avec son appareil photo 3,2 gigapixels, qui est en construction au SLAC, les astrophysiciens pourront explorer les profondeurs de notre univers comme jamais auparavant.