Enquêter sur l'histoire de notre cosmos avec un large échantillon de galaxies "actives" distantes observées par XMM-Newton de l'ESA, une équipe d'astronomes a découvert qu'il pourrait y avoir plus à l'expansion précoce de l'univers que prévu par le modèle standard de la cosmologie.

Selon le scénario directeur, notre univers ne contient que quelques pour cent de matière ordinaire. Un quart du cosmos est fait de l'insaisissable matière noire, que nous pouvons sentir gravitationnellement mais pas observer, et le reste consiste en l'énergie noire encore plus mystérieuse qui est à l'origine de l'accélération actuelle de l'expansion de l'univers.

Ce modèle est basé sur une multitude de données collectées au cours des deux dernières décennies, du fond cosmique des micro-ondes, ou CMB - la première lumière dans l'histoire du cosmos, sorti seulement 380, 000 ans après le big bang et observé avec une précision sans précédent par la mission Planck de l'ESA – à des observations plus « locales ». Ces derniers incluent les explosions de supernova, les amas de galaxies et la distorsion gravitationnelle imprimée par la matière noire sur les galaxies lointaines, et peut être utilisé pour retracer l'expansion cosmique dans les époques récentes de l'histoire cosmique - au cours des neuf derniers milliards d'années.

Une nouvelle étude, dirigé par Guido Risaliti de l'Università di Firenze, Italie, et Elisabeta Lusso de l'Université de Durham, ROYAUME-UNI, pointe vers un autre type de traceur cosmique - les quasars - qui comblerait une partie de l'écart entre ces observations, mesurer l'expansion de l'univers jusqu'à il y a 12 milliards d'années.

Les quasars sont les noyaux des galaxies où un trou noir supermassif actif attire la matière de son environnement à des taux très intenses, brille de mille feux à travers le spectre électromagnétique. Alors que la matière tombe sur le trou noir, il forme un disque tourbillonnant qui rayonne en lumière visible et ultraviolette; cette lumière, à son tour, réchauffe les électrons voisins, générer des rayons X.

Il y a trois ans, Guido et Elisabeta ont réalisé qu'une relation bien connue entre la luminosité ultraviolette et la luminosité des rayons X des quasars pourrait être utilisée pour estimer la distance à ces sources - quelque chose qui est notoirement délicat en astronomie - et, finalement, pour sonder l'histoire de l'expansion de l'univers.

Les sources astronomiques dont les propriétés nous permettent d'évaluer leurs distances sont appelées « bougies standard ».

La classe la plus notable, connue sous le nom de supernova de "type Ia", consiste en la disparition spectaculaire d'étoiles naines blanches après qu'elles se soient trop remplies de matière provenant d'une étoile compagne, générant des explosions d'une luminosité prévisible qui permet aux astronomes de déterminer la distance. Les observations de ces supernovas à la fin des années 1990 ont révélé l'expansion accélérée de l'univers au cours des derniers milliards d'années.

"L'utilisation de quasars comme bougies standard a un grand potentiel, puisque nous pouvons les observer à des distances beaucoup plus grandes de nous que les supernovas de type Ia, et ainsi les utiliser pour sonder des époques beaucoup plus anciennes de l'histoire du cosmos, " explique Elisabêta.

Avec un échantillon important de quasars à portée de main, les astronomes ont maintenant mis leur méthode en pratique, et les résultats sont intéressants.

En fouillant dans les archives XMM-Newton, ils ont collecté des données radiographiques pour plus de 7000 quasars, en les combinant avec les observations ultraviolettes du Sloan Digital Sky Survey basé au sol. Ils ont également utilisé un nouvel ensemble de données, spécialement obtenu avec XMM-Newton en 2017 pour regarder des quasars très lointains, en les observant telles qu'elles étaient lorsque l'univers n'avait que deux milliards d'années environ. Finalement, ils ont complété les données avec un petit nombre de quasars encore plus éloignés et avec quelques-uns relativement proches, observé avec les observatoires à rayons X Chandra et Swift de la NASA, respectivement.

"Un si grand échantillon nous a permis d'examiner minutieusement la relation entre les rayons X et l'émission ultraviolette des quasars, qui a grandement affiné notre technique pour estimer leur distance, " dit Guido.

Les nouvelles observations XMM-Newton de quasars distants sont si bonnes que l'équipe a même identifié deux groupes différents :70 pour cent des sources brillent dans les rayons X de basse énergie, tandis que les 30 pour cent restants émettent des quantités inférieures de rayons X qui se caractérisent par des énergies plus élevées. Pour la suite de l'analyse, ils n'ont conservé que le groupe de sources antérieur, dans laquelle la relation entre les rayons X et l'émission ultraviolette apparaît plus claire.

"Il est assez remarquable que nous puissions discerner un tel niveau de détail dans des sources si éloignées de nous que leur lumière a voyagé pendant plus de dix milliards d'années avant de nous atteindre, " dit Norbert Schartel, Scientifique du projet XMM-Newton à l'ESA.

Après avoir parcouru les données et ramené l'échantillon à environ 1600 quasars, les astronomes se sont retrouvés avec les meilleures observations, conduisant à des estimations robustes de la distance à ces sources qu'ils pourraient utiliser pour étudier l'expansion de l'univers.

"Lorsque nous combinons l'échantillon de quasar, qui couvre près de 12 milliards d'années d'histoire cosmique, avec l'échantillon plus local de supernovas de type Ia, couvrant seulement les huit derniers milliards d'années, nous trouvons des résultats similaires dans les époques qui se chevauchent, " dit Élisabette.

"Toutefois, dans les phases antérieures que l'on ne peut sonder qu'avec des quasars, nous trouvons un écart entre l'évolution observée de l'univers et ce que nous pourrions prédire sur la base du modèle cosmologique standard."

En examinant cette période de l'histoire cosmique auparavant mal explorée à l'aide de quasars, les astronomes ont révélé une tension possible dans le modèle standard de la cosmologie, ce qui pourrait nécessiter l'ajout de paramètres supplémentaires pour réconcilier les données avec la théorie.

"Une des solutions possibles serait d'invoquer une énergie noire évolutive, avec une densité qui augmente avec le temps, " dit Guido.

Incidemment, ce modèle particulier atténuerait également une autre tension qui a occupé les cosmologistes ces derniers temps, concernant la constante de Hubble - le taux actuel d'expansion cosmique. Cet écart a été trouvé entre les estimations de la constante de Hubble dans l'univers local, basé sur des données de supernova - et, indépendamment, sur les amas de galaxies – et ceux basés sur les observations de Planck du fond diffus cosmologique dans l'univers primitif.

"Ce modèle est assez intéressant car il peut résoudre deux énigmes à la fois, mais le jury n'est certainement pas encore sorti et nous devrons examiner de nombreux autres modèles en détail avant de pouvoir résoudre cette énigme cosmique, " ajoute Guido.

L'équipe est impatiente d'observer encore plus de quasars à l'avenir pour affiner davantage leurs résultats. Des indices supplémentaires proviendront également de la mission Euclid de l'ESA, prévu pour un lancement en 2022 pour explorer les dix derniers milliards d'années d'expansion cosmique et enquêter sur la nature de l'énergie noire.

"Ce sont des moments intéressants pour enquêter sur l'histoire de notre univers, et c'est excitant que XMM-Newton puisse contribuer en examinant une époque cosmique qui était restée largement inexplorée jusqu'à présent, " conclut Norbert.