La galaxie la plus éloignée jamais observée est si éloignée que la lumière des étoiles que nous détectons maintenant a été émise moins de 500 millions d'années après le Big Bang. Il a fallu environ 13 milliards d'années pour nous parvenir. Mais il y a beaucoup de choses sur une galaxie que nous ne pouvons pas voir. Par exemple, nous pensons que les galaxies sont immergées dans de gigantesques "halos" d'une substance invisible appelée matière noire. Les scientifiques ne savent pas vraiment ce qu'est la matière noire, mais ils savent qu'il existe parce qu'il a une attraction gravitationnelle sur la matière environnante.

Maintenant notre nouvelle recherche, Publié dans Astronomie de la nature , présente une manière dont nous pourrions apprendre à quel point les galaxies ont évolué au sein de cet étrange, matière noire pendant la majeure partie du temps cosmique.

Que nous puissions voir la lumière émise il y a 13 milliards d'années peut sembler incroyable. Mais nous pouvons en fait voir la lumière émise encore plus tôt – avant la formation des galaxies. Pendant quelques centaines de millénaires après sa formation, l'univers était un fouillis de particules lumineuses (photons), des protons et des électrons (plasma) chargés électriquement, ainsi que la matière noire. Les photons étaient piégés parmi le plasma :continuellement « diffusés » dans des directions aléatoires par des interactions quasi constantes avec les électrons libres.

Comme essayer de traverser une foule, salle animée, la longueur moyenne du trajet de chaque photon était très courte avant sa prochaine interaction. Cela a rendu l'univers opaque – si vous essayiez de regarder à travers ce médium, ce serait comme regarder dans un banc de brouillard.

Mais 380, 000 ans après le Big Bang, l'univers s'était dilaté et refroidi à un point où les électrons libres pouvaient se lier aux protons pour former des atomes d'hydrogène. La dispersion cessa rapidement, permettant aux photons de circuler librement à travers l'univers sans électrons libres sur le chemin.

Comme cette transition s'est produite assez rapidement partout dans l'univers, de notre point de vue, c'est comme si tous ces photons étaient soudainement libérés de l'intérieur d'une énorme coquille contenant la soupe opaque de particules et de matière noire. Effectivement, cette "coquille" est l'"objet" le plus éloigné que l'on puisse voir, à une distance de 45 milliards d'années-lumière. Les scientifiques l'appellent la surface de la dernière diffusion.

Voyager à travers le cosmos, ces photons perdent de l'énergie à mesure que l'univers continue de s'étendre, étirant leurs longueurs d'onde. Et nous pouvons les détecter dans le fond diffus cosmologique, ou CMB, qui est le rayonnement laissé par la naissance de l'univers.

Un rétro-éclairage cosmique

Nous étudions le CMB depuis des décennies maintenant :de nombreuses informations sur les propriétés de l'univers primitif sont codées à sa lumière. Mais récemment, il a été possible d'en extraire encore plus d'informations en exploitant le fait que chaque photon de ce rayonnement a dû voyager à travers un univers rempli de matière.

La théorie de la relativité générale d'Einstein décrit la gravité comme une distorsion de l'espace-temps due à la présence d'un objet avec une masse. Cette distorsion peut dévier les chemins des photons qui passent par l'objet – un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle. Donc, en regardant comment la lumière d'une source d'arrière-plan (comme une galaxie) est déviée en raison d'un objet devant elle, nous pouvons déterminer les propriétés de cet objet au premier plan.

La surface de la dernière diffusion agit comme une lumière de fond cosmique, brille à travers tous la matière dans l'univers. Par conséquent, les photons du CMB sont lentilles gravitationnellement par la matière intermédiaire entre la surface et nous. Notre vision du CMB est comme notre vision d'un paysage lointain vu à travers une vitre criblée d'imperfections subtiles.

Remarquablement, nous pouvons maintenant cartographier ces imperfections à travers le ciel, nous fournissant un moyen de "voir" l'empreinte gravitationnelle de toute la masse de l'univers observable. Cela nous donne une nouvelle façon d'étudier les galaxies. Par exemple, nous pouvons mesurer la quantité de lentilles CMB dans différentes directions et peser les structures cosmiques simplement en regardant dans quelle mesure elles ont dévié la lumière CMB. C'est ce que nous venons de faire pour les objets les plus massifs de l'univers :les amas de galaxies.

Une nouvelle façon de peser

Les amas de galaxies ne contiennent pas que des galaxies :l'espace entre les galaxies est rempli d'un plasma chaud, et les galaxies et le gaz sont immergés dans la matière noire. Additionnez le tout et la masse totale dépasse cent mille milliards de soleils, créant de grandes vallées dans l'espace-temps.

Les scientifiques recherchent depuis longtemps une méthode fiable pour traduire le nombre de galaxies dans les amas en masse totale de matière noire, gaz et étoiles. Nous pouvons utiliser de nouvelles cartes de lentilles du CMB à cette fin. Les cartes de lentilles sont construites en examinant des cartes des fluctuations de température du CMB. Dans les régions où les photons CMB ont été fortement déviés, une signature subtile est imprimée dans la répartition de la température. Un filtrage minutieux de la carte de température révèle le motif de lentilles dans le ciel.

En mesurant la déviation moyenne des photons CMB autour des amas, nous avons montré comment la quantité de déviation - et donc la masse totale présente, y compris la matière noire – dépend du nombre de galaxies dans l'amas. En effet, nous voyons l'empreinte dans l'espace-temps des halos massifs de matière noire.

En utilisant la lentille gravitationnelle pour révéler les distorsions dans l'espace-temps autour des galaxies et des amas, et donc apprendre quelque chose sur leur distribution de masse, n'est pas nouveau. Mais la plupart des études précédentes impliquent la lentille de la lumière provenant de autre galaxies de fond, plutôt que le CMB.

L'utilisation du CMB comme source de lumière offre d'énormes avantages. Comme la surface de la dernière diffusion s'illumine tous objets devant lui, nous pouvons examiner la relation entre les galaxies lumineuses et les structures de matière noire qu'elles habitent plus loin dans l'histoire cosmique que cela n'a été possible jusqu'à présent.

Non seulement les structures de matière noire évoluent constamment par gravité, nous savons que les propriétés des galaxies – telles que leur masse et leur taux de formation d'étoiles – dépendent fortement de leur environnement à grande échelle. Nous ne comprenons toujours pas entièrement ce lien, mais la lentille CMB pourrait finalement nous aider à comprendre comment cela se produit.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.