Les régions les plus arides connues sont les coins les plus reculés de l'espace intergalactique. Dans ces vastes étendues entre les galaxies, il n'y a qu'un seul atome par mètre cube - une brume diffuse d'hydrogène gazeux laissé par le Big Bang. Aux plus grandes échelles, cette matière est disposée en un vaste réseau de structures filamenteuses connues sous le nom de "toile cosmique, " ses brins enchevêtrés s'étendant sur des milliards d'années-lumière et représentant la majorité des atomes de l'univers.

Maintenant, une équipe d'astronomes, dont Joseph Hennawi, physicien de l'UC Santa Barbara, ont effectué les premières mesures d'ondulations à petite échelle dans cet hydrogène gazeux primitif à l'aide de rares quasars doubles. Bien que les régions de la toile cosmique qu'ils ont étudiées se trouvent à près de 11 milliards d'années-lumière, ils ont pu mesurer les variations de sa structure sur des échelles 100, 000 fois plus petit, comparable à la taille d'une seule galaxie. Les résultats apparaissent dans le journal Science .

Le gaz intergalactique est si ténu qu'il n'émet aucune lumière par lui-même. Au lieu de cela, les astronomes l'étudient indirectement en observant comment il absorbe sélectivement la lumière provenant de sources lointaines connues sous le nom de quasars. Les quasars constituent une brève phase hyperlumineuse du cycle de vie galactique alimenté par la matière tombant dans le trou noir supermassif central d'une galaxie. Agissant comme des phares cosmiques, ils sont brillants, balises lointaines qui permettent aux astronomes d'étudier les atomes intergalactiques résidant entre l'emplacement du quasar et la Terre. Mais parce que ces épisodes hyperlumineux ne durent qu'une infime fraction de la durée de vie d'une galaxie, les quasars sont également rares et sont généralement séparés les uns des autres par des centaines de millions d'années-lumière.

Afin de sonder la toile cosmique à des échelles de longueur beaucoup plus petites, les astronomes ont exploité une coïncidence cosmique fortuite :ils ont identifié des paires de quasars extrêmement rares et mesuré des différences subtiles dans l'absorption des atomes intergalactiques le long des deux lignes de visée.

"Les paires de quasars sont comme des aiguilles dans une botte de foin, " expliqua Hennawi, professeur agrégé au Département de physique de l'UCSB. Hennawi a été le pionnier de l'application d'algorithmes issus du « machine learning » – une marque d'intelligence artificielle – pour localiser efficacement les paires de quasars dans les quantités massives de données produites par les relevés d'imagerie numérique du ciel nocturne. « Pour les trouver, nous avons passé au peigne fin des images de milliards d'objets célestes des millions de fois plus faibles que ce que l'œil nu peut voir."

Une fois identifié, les paires de quasars ont été observées avec les plus grands télescopes du monde, y compris les télescopes Keck de 10 mètres au W.M. Observatoire de Keck sur le Mauna Kea, Hawaii, dont l'Université de Californie est un partenaire fondateur.

"L'un des plus grands défis a été de développer les outils mathématiques et statistiques pour quantifier les minuscules différences que nous avons mesurées dans ce nouveau type de données, " a déclaré l'auteur principal Alberto Rorai, L'ancien doctorant de Hennawi. étudiant qui est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Cambridge. Rorai a développé ces outils dans le cadre de ses recherches pour son doctorat et les a appliqués aux spectres de quasars avec Hennawi et d'autres collègues.

Les astronomes ont comparé leurs mesures à des modèles de superordinateurs qui simulent la formation de structures cosmiques du Big Bang à nos jours. Sur un seul ordinateur portable, ces calculs complexes nécessiteraient presque 1, 000 ans à compléter, mais les supercalculateurs modernes ont permis aux chercheurs de les réaliser en quelques semaines seulement.

"L'entrée de nos simulations sont les lois de la physique et la sortie est un univers artificiel, qui peuvent être directement comparés aux données astronomiques, " a déclaré le co-auteur José Oñorbe, chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck d'Astronomie à Heidelberg, Allemagne, qui a dirigé l'effort de simulation de superordinateur. "J'ai été ravi de voir que ces nouvelles mesures concordent avec le paradigme bien établi de la formation des structures cosmiques."

"L'une des raisons pour lesquelles ces fluctuations à petite échelle sont si intéressantes est qu'elles codent des informations sur la température du gaz dans la toile cosmique quelques milliards d'années seulement après le Big Bang, " expliqua Hennawi.

Les astronomes pensent que la matière dans l'univers a subi des transitions de phase il y a des milliards d'années, qui changea radicalement sa température. Connue sous le nom de réionisation cosmique, ces transitions se sont produites lorsque la lueur ultraviolette collective de toutes les étoiles et quasars de l'univers est devenue suffisamment intense pour enlever les électrons des atomes dans l'espace intergalactique. Comment et quand la réionisation s'est produite est l'une des plus grandes questions ouvertes dans le domaine de la cosmologie, et ces nouvelles mesures fournissent des indices importants qui aideront à raconter ce chapitre de l'histoire cosmique.