En tant qu'astronome, il n'y a pas de meilleure sensation que d'atteindre la "première lumière" avec un nouvel instrument ou télescope. C'est l'aboutissement d'années de préparation et de construction de nouveau matériel, qui, pour la première fois, recueille les particules lumineuses d'un objet astronomique. Ceci est généralement suivi d'un soupir de soulagement puis de l'excitation de toute la nouvelle science qui est désormais possible.

Le 22 octobre, l'instrument spectroscopique à énergie noire (DESI) sur le télescope Mayall en Arizona, NOUS, atteint la première lumière. Il s'agit d'un énorme pas en avant dans notre capacité à mesurer les distances des galaxies, permettant une nouvelle ère de cartographie des structures de l'univers. Comme son nom l'indique, cela peut également être la clé pour résoudre l'une des plus grandes questions de la physique :quelle est la force mystérieuse surnommée « l'énergie noire » qui constitue les 70 % de l'univers ?

Le cosmos est grumeleux. Les galaxies vivent ensemble en groupes de quelques à plusieurs dizaines de galaxies. Il existe également des amas de quelques centaines à des milliers de galaxies et de superamas qui contiennent de nombreux amas de ce type.

Cette hiérarchie de l'univers est connue depuis les premières cartes de l'univers, qui ressemblait à un "stickman" dans les graphiques du pionnier Redshift Survey du Center for Astrophysics (CfA). Ces images saisissantes étaient le premier aperçu de structures à grande échelle dans l'univers, certains s'étendant sur des centaines de millions d'années-lumière.

L'enquête CfA a été laborieusement construite une galaxie à la fois. Cela impliquait de mesurer le spectre de la lumière de la galaxie - une division de la lumière par longueur d'onde, ou la couleur - et en identifiant les empreintes digitales de certains éléments chimiques (principalement l'hydrogène, azote et oxygène).

Ces signatures chimiques sont systématiquement déplacées vers des longueurs d'onde plus longues et plus rouges en raison de l'expansion de l'univers. Ce « décalage vers le rouge » a été détecté pour la première fois par l'astronome Vesto Slipher et a donné naissance à la désormais célèbre loi de Hubble, l'observation selon laquelle des galaxies plus éloignées semblent s'éloigner à un rythme plus rapide. Cela signifie que les galaxies proches semblent s'éloigner relativement lentement en comparaison - elles sont moins décalées vers le rouge que les galaxies éloignées. Par conséquent, mesurer le décalage vers le rouge d'une galaxie est un moyen de mesurer sa distance.

Surtout, la relation exacte entre le décalage vers le rouge et la distance dépend de l'histoire de l'expansion de l'Univers qui peut être calculée théoriquement en utilisant notre théorie de la gravité et nos hypothèses sur la densité de matière et d'énergie de l'univers.

Toutes ces hypothèses ont finalement été testées au tournant du siècle avec la combinaison de nouvelles observations de l'univers, y compris de nouvelles cartes 3D à partir de relevés de redshift plus importants. En particulier, le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) a été le premier télescope dédié à l'étude des décalages vers le rouge à mesurer plus d'un million de décalages vers le rouge des galaxies, cartographier la structure à grande échelle de l'univers avec des détails sans précédent.

Les cartes SDSS comprenaient des centaines de superamas et de filaments et ont permis de faire une découverte inattendue :l'énergie noire. Ils ont montré que la densité de matière de l'univers était bien inférieure à ce que l'on attendait du fond diffus cosmologique, qui est la lumière laissée par le Big Bang. Cela signifiait qu'il devait y avoir une substance inconnue, appelée énergie noire, entraînant une expansion accélérée de l'Univers et devenant de plus en plus dépourvus de matière.

Le puzzle

La combinaison de toutes ces observations a annoncé une nouvelle ère de compréhension cosmologique avec un univers composé de 30 pour cent de matière et 70 pour cent d'énergie noire. Mais malgré le fait que la plupart des physiciens ont maintenant accepté qu'il existe une chose telle que l'énergie noire, nous ne connaissons toujours pas sa forme exacte.

Il y a quand même plusieurs possibilités. De nombreux chercheurs pensent que l'énergie du vide a simplement une valeur particulière, surnommé une "constante cosmologique". D'autres options incluent la possibilité que la théorie de la gravité extrêmement réussie d'Einstein soit incomplète lorsqu'elle est appliquée à l'immense échelle de l'univers entier.

De nouveaux instruments comme DESI aideront à franchir une nouvelle étape dans la résolution du mystère. Il mesurera des dizaines de millions de décalages vers le rouge des galaxies, couvrant un énorme volume de l'univers jusqu'à dix milliards d'années-lumière de la Terre. Un tel incroyable, Une carte détaillée devrait pouvoir répondre à quelques questions clés sur l'énergie noire et la création des structures à grande échelle dans l'univers.

Par exemple, il devrait être capable de nous dire si l'énergie noire n'est qu'une constante cosmologique. Pour ce faire, il mesurera le rapport de la pression que l'énergie noire exerce sur l'univers à l'énergie par unité de volume. Si l'énergie noire est une constante cosmologique, ce rapport devrait être constant à la fois dans le temps et dans l'emplacement cosmiques. Pour d'autres explications, cependant, ce rapport varierait. Toute indication qu'il ne s'agit pas d'une constante serait révolutionnaire et susciterait un travail théorique intense.

DESI devrait également être capable de contraindre, et même tuer, de nombreuses théories de la gravité modifiée, fournissant peut-être une confirmation emphatique de la théorie de la relativité générale d'Einstein sur les plus grandes échelles. Ou le contraire, et encore une fois, cela déclencherait une révolution dans la physique théorique.

Une autre théorie importante qui sera testée avec DESI est l'inflation, qui prédit que de minuscules fluctuations quantiques aléatoires de densité d'énergie dans l'univers primordial ont été exponentiellement étendues pendant une courte période de croissance intense pour devenir les graines des structures à grande échelle que nous voyons aujourd'hui.

DESI n'est qu'une des nombreuses missions et expériences d'énergie noire de nouvelle génération à venir au cours de la prochaine décennie, il y a donc certainement des raisons d'être optimiste sur le fait que nous pourrions bientôt résoudre le mystère de l'énergie noire. De nouvelles missions satellites comme Euclide, et des observatoires au sol massifs comme le Large Synoptic Survey Telescope, offrira également des idées.

Il y aura également d'autres instruments de redshift comme DESI dont 4MOST à ​​l'Observatoire européen austral. Ensemble, ceux-ci fourniront des centaines de millions de décalages vers le rouge dans tout le ciel menant à une carte inimaginable de notre cosmos.

Il semble qu'il y a longtemps maintenant, lorsque j'ai rédigé mon doctorat. thèse basée sur seulement 700 décalages vers le rouge des galaxies. Cela montre vraiment que c'est une période passionnante pour être astronome.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.