L'un des plus grands mystères de la science a commencé avec une étoile mourante.

Ce n'était pas tant une étoile mourante que l'idée d'une. Dans les années 1980, Saul Perlmutter du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) du Department of Energy (DOE) et ses collaborateurs ont réalisé qu'ils pouvaient utiliser les données sur les supernovae pour étudier l'histoire de l'univers. Les supernovae sont des étoiles explosives extrêmement brillantes qui projettent une grande partie de leur masse dans l'espace avant de s'éteindre.

Heureusement, La luminosité des supernovae de type Ia est très constante. Même lorsque leur luminosité réelle varie, il le fait de manière prévisible. En comparant les mesures de la luminosité de ces supernovae dans les télescopes avec leur luminosité réelle, ainsi que des mesures de la lumière de leurs galaxies d'origine, les scientifiques peuvent déterminer leur âge et leur distance par rapport à nous. En utilisant ceux-ci, ils peuvent estimer comment l'univers s'est étendu au fil du temps.

Au cours d'une décennie, L'équipe de Perlmutter a collecté suffisamment de données pour rechercher une relation entre la luminosité d'une supernova et la distance par rapport à la Terre. Ils s'attendaient à voir ces supernovae très lointaines apparaître un peu plus brillantes qu'elles ne le feraient dans un univers en expansion qui ne ralentissait pas sa croissance.

Les données ont révélé tout autre chose.

Les supernovae semblaient toutes plus sombres qu'elles ne le devraient pour leur distance. En premier, les scientifiques pensaient qu'il s'agissait simplement d'un ensemble de données bizarres. « Quand vous voyez un nouveau résultat incroyable, ta première pensée n'est pas 'Eureka !, ' son, 'C'est un graphique intéressant, '", a déclaré Perlmutter. Lui et son équipe ont passé plus de six mois à vérifier chaque aspect du graphique, à la recherche d'un aspect de l'analyse qui pourrait être erroné.

Ce n'était pas le cas.

En réalité, cela montrait le contraire :l'univers s'étendait de plus en plus vite. L'implication de ceci était dramatique. Pour que les données fonctionnent avec la théorie de la relativité générale d'Einstein, le fondement de l'astrophysique, 70 % de l'énergie de l'univers doit provenir d'une source inconnue.

Quelque chose – beaucoup de quelque chose – manquait à notre compréhension fondamentale de l'univers.

Alors que Perlmutter se préparait pour une conférence à venir, il a apporté une série de modifications à ses diapositives de transparence en plastique pour présenter les nouveaux résultats. "Vous savez que c'est un très gros, résultat significatif, mais cela vous rend encore plus prudent, " dit-il. " Au moment où vous le dites en public, vous travaillez avec depuis si longtemps que cela ne vous surprend pas."

Mais pour le public, son discours de 1998 a fait des vagues importantes. Peu de temps après, une équipe concurrente a présenté le même résultat. En 2011, Perlmutter, Brian Schmidt, et Adam Riess a reçu le prix Nobel de physique pour cette découverte.

Parce que nous ne savons pas ce qui pousse l'univers vers l'extérieur de plus en plus rapidement, « énergie noire » est le raccourci utilisé par les scientifiques pour désigner le processus mystérieux. Pour comprendre l'histoire de notre univers, des chercheurs soutenus par le DOE Office of Science collaborent avec des scientifiques du monde entier pour créer des cartes 3D élaborées de l'espace et du temps.

Considérant les possibilités

Quelle que soit l'énergie noire, C'est étrange. Aucune des possibilités ne correspond à la compréhension de la physique par les scientifiques.

La première possibilité est que ce soit la "constante cosmologique". Quand Albert Einstein a développé les équations décrivant la relativité générale, il supposait que l'univers restait de la même taille. Pour contrebalancer la gravité tirant vers l'intérieur sur l'univers, il est coincé dans une variable, la constante cosmologique, indiquant que quelque chose poussait vers l'extérieur. Quand Edwin Hubble a découvert que l'univers était en expansion, Einstein a supprimé la constante. Quand ils ont découvert qu'il y avait quelque chose de mystérieux poussant vers l'extérieur, les scientifiques sont revenus à l'idée d'Einstein. Malheureusement, les nombres des données expérimentales sont 10 ¹²⁰ fois plus petit que les attentes pour une constante cosmologique dans les équations.

Il y a deux autres possibilités. La seconde est que l'énergie noire est une forme inconnue d'énergie qui a changé au fil du temps. La troisième possibilité est que la relativité générale n'explique pas ce qui se passe aux plus grandes échelles. Au lieu, ce serait une approximation d'une théorie encore plus générale. Cela jetterait une clé dans l'un de nos piliers les plus réussis de l'astrophysique.

Plus que le début de l'univers

Comprendre comment la structure de l'univers a changé au fil du temps peut aider les scientifiques à déterminer si l'énergie noire est constante ou non.

Les scientifiques savent déjà à quoi ressemblait l'univers à ses débuts, il y a environ 10 milliards d'années. Ils ont étudié le fond diffus cosmologique, un ensemble de signatures thermiques faibles laissées à partir de ce moment-là. En examinant ce rayonnement persistant, les scientifiques peuvent déterminer les modèles de densité et de rayonnement à l'époque.

C'est de comprendre ce qui s'est passé il y a 10 milliards d'années, c'est la partie la plus difficile. Heureusement, les scientifiques disposent de quelque chose comme le voyage dans le temps lorsqu'il s'agit d'objets extrêmement éloignés. Parce que la lumière met du temps à arriver sur Terre, les télescopes extrêmement puissants ne regardent pas les étoiles modernes. Au lieu, les scientifiques voient à quoi ressemblaient ces étoiles par milliers, des millions, et même il y a des milliards d'années, en fonction de leur distance. Regarder en arrière vers des étoiles de plus en plus lointaines leur permet de créer des cartes qui cartographient la longueur, largeur, et la distance dans le temps.

Comment mesurer l'univers

Pour une carte de ce genre, les scientifiques ont besoin d'outils spéciaux basés sur les étoiles et les galaxies elles-mêmes.

Les supernovae de type Ia sont la première option. L'utilisation de cette méthode nécessite que les scientifiques prennent de nouvelles mesures de supernovae avec une précision beaucoup plus élevée à une plus grande plage de distances. "Presque toutes les théories étendues correspondent aux données et ne seraient pas distinguables les unes des autres, sauf avec très, mesures de très haute précision, " dit Perlmutter.

Bien que l'Office of Science du DOE soutienne plusieurs projets pouvant effectuer ces mesures de haute précision, d'autres techniques sont également nécessaires. Pour quelque chose qui est tellement en dehors du domaine de la physique connue, les scientifiques veulent plusieurs méthodes pour comparer les résultats.

Le prochain outil analyse l'oscillation acoustique baryonique (BAO). Comme le fond cosmique des micro-ondes, le BAO est un vestige des premiers jours de l'univers. Peu de temps après le Big Bang, le plasma qui composait tout s'est dilaté, créant des vagues de densité et de pression. Environ 370, 000 ans plus tard, le plasma refroidi, "geler" les ondes de pression. Les vagues de crête ont laissé des amas de matière à leur début et à leur fin. Au fur et à mesure que l'univers grandissait, ces motifs de vagues s'étiraient.

Maintenant, les motifs sont imprimés sur la distribution de toute matière. En examinant en quoi les motifs du fond diffus cosmologique (qui reflètent le début de l'univers) sont différents des motifs du BAO (qui reflètent l'univers moyen et actuel), les scientifiques peuvent cartographier les changements dans la distribution de la matière au fil du temps. "Il est basé sur la physique fondamentale depuis le début de l'univers, " dit Parker Fagrelius, un chercheur du LBNL.

Si ce n'était pas assez hallucinant, une technique différente appelée lentille gravitationnelle faible mesure la façon dont les objets massifs déforment la forme des galaxies. Les galaxies sont si grandes qu'elles courbent l'espace, avec la lumière des autres galaxies derrière eux. Lorsqu'un télescope sur Terre prend une photo des galaxies d'arrière-plan, leurs formes sont étirées par rapport à leurs vraies formes. En mesurant cette minuscule distorsion de la forme des galaxies d'arrière-plan à différentes positions, les scientifiques peuvent déterminer la masse de ceux du premier plan. Cette technique peut également les aider à cartographier la répartition de la matière, comprenant à la fois la matière visible et la matière noire. "C'est l'un des moyens les plus propres de mesurer la masse, " a déclaré Maria Elidaiana da Silva Pereira, un chercheur de l'Université Brandeis qui travaille sur le Dark Energy Survey.

La dernière option consiste à mesurer les propriétés des amas de galaxies, ou des groupes de galaxies. Les plus gros amas révèlent où l'univers primitif était le plus dense. "Ils peuvent nous en dire beaucoup sur la croissance et la formation des structures dans l'univers, " dit Antonella Palmese, chercheur au Laboratoire national de l'accélérateur Fermi du DOE.

Pas votre appareil photo numérique moyen

Les scientifiques ont également le choix entre plusieurs options lorsqu'il s'agit de prendre des données.

Les relevés d'imagerie sont des télescopes avec des caméras numériques géantes. Ils prennent grand, photographies panoramiques du ciel qui incluent un grand nombre de galaxies et de supernovae. Les scientifiques analysent la luminosité et la couleur des objets, ce qui leur donne des informations sur leur distance et leur masse.

L'enquête sur l'énergie noire, qui est soutenu par un groupe international qui comprend le Bureau des sciences du DOE, fournit l'ensemble de données d'imagerie le plus complet disponible. Ces images proviennent d'un appareil photo de 520 mégapixels; en comparaison, les caméras point-and-shoot sont de 16 à 20 mégapixels. Monté sur un télescope au Chili, la caméra à énergie noire a pris des photos d'environ un quart du ciel austral pendant cinq ans. Au moment où il a fini de prendre des données en janvier 2019, il avait des photos de plus de 300 millions de galaxies, des dizaines de milliers d'amas de galaxies, et plusieurs milliers de supernovae de type Ia. "Il n'y avait rien d'aussi puissant que le Dark Energy Survey en termes de nombre de galaxies et d'amas de galaxies, " dit Palmese.

Regarder autant de galaxies a donné aux scientifiques un regard sans précédent sur les lentilles gravitationnelles faibles. L'équipe a fait la mesure la plus précise de la façon dont la matière est distribuée dans l'univers jusqu'à présent. Avec ces observations, ils ont exécuté un modèle d'univers composé d'énergie noire et de matière noire comme si l'énergie noire était constante dans le temps (ce qu'elle serait si c'était la constante cosmologique) et si elle ne l'était pas (une autre force). Si les résultats des modèles utilisant les données du Dark Energy Survey et les résultats du fond diffus cosmologique concordent, cela aurait confirmé que le modèle de constante cosmologique fonctionne bien. En d'autres termes, cela montrerait que l'énergie noire est une constante cosmologique.

Les résultats étaient proches, mais pas tout à fait les mêmes. Alors que les données penchaient vers la constante, il n'était pas assez fort pour dire s'il existe un réel écart entre la quantité de matière mesurée par le Dark Energy Survey et les résultats du fond diffus cosmologique. Cela pourrait indiquer des problèmes avec le modèle lui-même.

La prochaine grande chose

Contrairement aux caméras numériques des relevés d'imagerie, les relevés spectroscopiques ont des faisceaux de câbles à fibres optiques, dont chacun recueille la lumière d'une galaxie différente. Ces faisceaux fournissent des types d'informations sur les longueurs d'onde visibles et non visibles de la lumière qui sont différentes de ce que les scientifiques peuvent obtenir à partir de photographies. Ces informations fournissent des détails précis sur la distance et la vitesse d'un objet. Cependant, un relevé spectroscopique ne peut prendre des données que sur une fraction des objets qu'un relevé par imagerie peut prendre.

L'instrument spectroscopique à énergie noire (DESI) est la prochaine étape. Un instrument spectroscopique installé sur le télescope Mayall en Arizona, DESI commencera à recueillir des données sur le ciel nordique au début de l'année prochaine. Ce qui rend DESI unique par rapport aux enquêtes précédentes, c'est la grande quantité de données qu'il peut prendre. Il pourra collecter des données sur le spectre lumineux de l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge sur 5, 000 galaxies simultanément.

"Cela ouvre vraiment la chronologie cosmologique, " dit Fagrelius, qui a travaillé sur le projet pendant une grande partie de sa carrière. "C'est vraiment excitant." DESI devrait donner des résultats pour le BAO qui sont trois fois plus précis que tous les calculs précédents combinés ainsi que des données approfondies sur la lentille et les amas de galaxies. La combinaison de ces résultats pourrait nous donner le meilleur aperçu à ce jour du comportement de l'énergie noire au fil du temps.

Avec ces outils ainsi que le Large Synoptic Survey Telescope, dont le lancement est prévu au Chili en 2023, les scientifiques prévoient d'obtenir une description précise de l'énergie noire.

Mais il est probable que l'enquête soulèvera plus de questions qu'elle n'apporte de réponses. Après tout, cette enquête a commencé parce que Perlmutter et son équipe essayaient de comprendre à quel point l'expansion de l'univers ralentissait. Ils ne s'attendaient pas à trouver le contraire.

"Ce qui me passionne, c'est ce que nous ne nous attendons pas à voir, " dit Fagrelius. " Avec cette quantité de données, nous allons découvrir des choses que nous ne savions pas que nous recherchions."