En 1929, Edwin Hubble surprit de nombreuses personnes – dont Albert Einstein – lorsqu'il montra que l'univers était en expansion. Une autre bombe est arrivée en 1998 lorsque deux équipes d'astronomes ont prouvé que l'expansion cosmique s'accélère en raison d'une mystérieuse propriété de l'espace appelée énergie noire. Cette découverte a fourni la première preuve de ce qui est maintenant le modèle régnant de l'univers :« Lambda-CDM, " qui dit que le cosmos est d'environ 70 pour cent d'énergie noire, 25 pour cent de matière noire et 5 pour cent de matière "normale" (tout ce que nous avons jamais observé).

Jusqu'en 2016, Lambda-CDM s'accorde parfaitement avec des décennies de données cosmologiques. Ensuite, une équipe de recherche a utilisé le télescope spatial Hubble pour effectuer une mesure extrêmement précise du taux d'expansion cosmique local. Le résultat a été une autre surprise :les chercheurs ont découvert que l'univers s'étendait un peu plus vite que le Lambda-CDM et le Cosmic Microwave Background (CMB), rayonnement relique du Big Bang, prédit. Il semble donc que quelque chose ne va pas - cette divergence pourrait-elle être une erreur systématique, ou peut-être une nouvelle physique ?

Les astrophysiciens du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Institut de cosmologie et de gravitation de l'Université de Portsmouth au Royaume-Uni pensent que les supernovae de type Ia à lentilles fortes sont la clé pour répondre à cette question. Et dans un nouveau Journal d'astrophysique papier, ils décrivent comment contrôler "la microlentille, " un effet physique que de nombreux scientifiques pensaient être une source majeure d'incertitude face à ces nouvelles sondes cosmiques. Ils montrent également comment identifier et étudier ces événements rares en temps réel.

"Depuis que le résultat du CMB est sorti et a confirmé l'accélération de l'univers et l'existence de la matière noire, les cosmologistes ont essayé de faire de mieux en mieux des mesures des paramètres cosmologiques, réduire les barres d'erreur, " dit Pierre Nugent, astrophysicien au Computational Cosmology Center (C3) de Berkeley Lab et co-auteur de l'article. "Les barres d'erreur sont maintenant si petites que nous devrions pouvoir dire" ceci et cela est d'accord, ' ainsi les résultats présentés en 2016 ont introduit une grande tension en cosmologie. Notre article présente une voie à suivre pour déterminer si le désaccord actuel est réel ou s'il s'agit d'une erreur."

De meilleurs marqueurs de distance jettent une lumière plus vive sur l'histoire cosmique

Plus un objet est éloigné dans l'espace, plus sa lumière met de temps à atteindre la Terre. Alors plus on regarde loin, plus on remonte dans le temps. Depuis des décennies, Les supernovae de type Ia ont été des marqueurs de distance exceptionnels car elles sont extraordinairement lumineuses et similaires en luminosité, peu importe où elles se trouvent dans le cosmos. En regardant ces objets, les scientifiques ont découvert que l'énergie noire propulse l'expansion cosmique.

Mais l'année dernière, une équipe internationale de chercheurs a trouvé un marqueur de distance encore plus fiable - la toute première supernova de type Ia à lentilles fortes. Ces événements se produisent lorsque le champ gravitationnel d'un objet massif - comme une galaxie - se plie et recentre la lumière passante d'un événement de type Ia derrière lui. Cette "lentille gravitationnelle" fait apparaître la lumière de la supernova plus brillante et parfois à plusieurs endroits, si les rayons lumineux parcourent des chemins différents autour de l'objet massif.

Parce que les différentes routes autour de l'objet massif sont plus longues que les autres, la lumière provenant de différentes images du même événement de type Ia arrivera à des moments différents. En suivant le délai entre les images fortement lentilles, les astrophysiciens pensent pouvoir obtenir une mesure très précise du taux d'expansion cosmique.

"Les supernovae à lentilles fortes sont beaucoup plus rares que les supernovae conventionnelles - elles sont une sur 50, 000. Bien que cette mesure ait été proposée pour la première fois dans les années 1960, elle n'a jamais été réalisée car seules deux supernovae fortement lentilles ont été découvertes à ce jour, ni l'un ni l'autre ne se prêtant à des mesures de temporisation, " dit Danny Goldstein, un étudiant diplômé de l'UC Berkeley et auteur principal du nouveau Journal d'astrophysique papier.

Après avoir exécuté un certain nombre de simulations de calcul intensif de la lumière de supernova au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une installation utilisateur du Department of Energy Office of Science située au Berkeley Lab, Goldstein et Nugent pensent pouvoir en trouver environ 1, 000 de ces supernovae de type Ia à lentilles fortes dans les données collectées par le prochain grand télescope synoptique (LSST) – environ 20 fois plus que les attentes précédentes. Ces résultats sont à la base de leur nouvel article dans le Journal d'astrophysique .

"Avec trois quasars à lentilles – des balises cosmiques émanant de trous noirs massifs au centre des galaxies – mes collaborateurs et moi avons mesuré le taux d'expansion avec une précision de 3,8 %. Nous avons obtenu une valeur supérieure à la mesure CMB, mais nous avons besoin de plus de systèmes pour être vraiment sûr que quelque chose ne va pas avec le modèle standard de la cosmologie, " dit Thomas Collett, astrophysicien à l'Université de Portsmouth et co-auteur de la nouvelle Journal d'astrophysique papier. "Cela peut prendre des années pour obtenir une mesure de retard avec les quasars, mais ce travail montre que nous pouvons le faire pour les supernovae en quelques mois. Un millier de supernovae à lentilles nous permettront de vraiment cerner la cosmologie. »

En plus d'identifier ces événements, les simulations du NERSC les ont également aidés à prouver que les supernovae de type Ia à forte lentille peuvent être des sondes cosmologiques très précises.

"Quand les cosmologistes essaient de mesurer les délais, le problème qu'ils rencontrent souvent est que les étoiles individuelles de la galaxie lentille peuvent déformer les courbes lumineuses des différentes images de l'événement, il est plus difficile de les faire correspondre, " dit Goldstein. " Cet effet, connu sous le nom de « microlentille », ' rend plus difficile la mesure précise des délais, qui sont essentiels pour la cosmologie.

Mais après avoir exécuté leurs simulations, Goldstein et Nugent ont découvert que la microlentille ne modifiait pas les couleurs de la supernova de type Ia à forte lentille dans leurs premières phases. Ainsi, les chercheurs peuvent soustraire les effets indésirables de la microlentille en travaillant avec des couleurs au lieu de courbes de lumière. Une fois ces effets indésirables soustraits, les scientifiques pourront facilement faire correspondre les courbes de lumière et effectuer des mesures cosmologiques précises.

Ils sont arrivés à cette conclusion en modélisant les supernovae à l'aide du code SEDONA, qui a été développé avec le financement de deux instituts de découverte scientifique du DOE via Advanced Computing (SciDAC) pour calculer les courbes de lumière, spectres et polarisation de modèles de supernova asphérique.

"Au début des années 2000, le DOE a financé deux projets SciDAC pour étudier les explosions de supernova, nous avons essentiellement pris la sortie de ces modèles et les avons passés à travers un système de lentilles pour prouver que les effets sont achromatiques, " dit Nugent.

"Les simulations nous donnent une image éblouissante du fonctionnement interne d'une supernova, avec un niveau de détail que nous ne pourrions jamais connaître autrement, " dit Daniel Kasen, un astrophysicien à la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab, et un co-auteur sur le papier. « Les avancées du calcul haute performance nous permettent enfin de comprendre la mort explosive des étoiles, et cette étude montre que de tels modèles sont nécessaires pour trouver de nouvelles façons de mesurer l'énergie noire."

Amener la chasse à la supernova à l'extrême

Lorsque le LSST commencera les opérations d'enquête complètes en 2023, il sera capable de scruter tout le ciel en seulement trois nuits depuis son perchoir sur la crête du Cerro Pachón dans le centre-nord du Chili. Au cours de sa mission de 10 ans, LSST devrait fournir plus de 200 pétaoctets de données. Dans le cadre de la collaboration LSST Dark Energy Science, Nugent et Goldstein espèrent pouvoir exploiter certaines de ces données via un nouveau pipeline de détection de supernova, basé au NERSC.

Depuis plus d'une décennie, Le pipeline de détection des transitoires en temps réel de Nugent exécuté au NERSC a utilisé des algorithmes d'apprentissage automatique pour parcourir les observations collectées par le Palomar Transient Factor (PTF), puis par l'Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF) - à la recherche chaque nuit d'objets « transitoires » qui changent en luminosité ou position en comparant les nouvelles observations avec toutes les données collectées les nuits précédentes. Quelques minutes après la découverte d'un événement intéressant, les machines du NERSC déclenchent ensuite des télescopes dans le monde entier pour collecter des observations de suivi. En réalité, c'est ce pipeline qui a révélé la toute première supernova de type Ia à lentilles fortes plus tôt cette année.

« Ce que nous espérons faire pour le LSST est similaire à ce que nous avons fait pour Palomar, mais fois 100, " dit Nugent. " Il va y avoir un flot d'informations chaque nuit du LSST. Nous voulons prendre ces données et demander ce que nous savons de cette partie du ciel, que s'est-il déjà passé là-bas et est-ce quelque chose qui nous intéresse pour la cosmologie ?"

Il ajoute qu'une fois que les chercheurs identifient la première lumière d'un événement de supernova fortement lentille, la modélisation informatique pourrait également être utilisée pour prédire avec précision quand la prochaine lumière apparaîtra. Les astronomes peuvent utiliser ces informations pour déclencher des télescopes terrestres et spatiaux pour suivre et capter cette lumière, leur permettant essentiellement d'observer une supernova quelques secondes après son extinction.

"Je suis venu au Berkeley Lab il y a 21 ans pour travailler sur la modélisation du transfert radiatif de supernova et maintenant, pour la première fois, nous avons utilisé ces modèles théoriques pour prouver que nous pouvons mieux faire de la cosmologie, " dit Nugent. " C'est excitant de voir le DOE récolter les bénéfices des investissements dans la cosmologie computationnelle qu'ils ont commencé à faire il y a des décennies. "