Galaxies. Fusions d'étoiles, gaz interstellaire, poussière, débris stellaires et matière noire. Ils valsent à travers l'univers froid, gravité nourrissant leur étreinte. Parfois, les galaxies font boule de neige en d'énormes amas de galaxies dont la masse est en moyenne 100 000 milliards de fois celle de notre soleil.

Mais cela n'a pas toujours été le cas.

Dans l'univers infantile, les températures étaient si élevées que les électrons et les protons étaient trop chauds pour former des atomes. Tout était chaud, gaz ionisé, un peu comme la surface du soleil.

Au cours des 400 prochaines, 000 ans, l'univers s'est étendu et s'est refroidi à environ 3, 000 degrés Celsius, sur la température d'un four industriel. A ces températures, les électrons et les protons se sont combinés en atomes d'hydrogène et ont libéré des photons au cours du processus. Cette lumière, appelé rayonnement de fond cosmique micro-ondes, voyage dans l'espace depuis, un filigrane d'espace et de temps.

Maintenant, les scientifiques ont trouvé de nouvelles façons d'extraire des informations de cette machine à remonter le temps inépuisable.

Contraindre la cosmologie avec la polarisation CMB

Dans une étude publiée dans Lettres d'examen physique , Le Fermilab et le scientifique de l'Université de Chicago Brad Benson et ses collègues utilisent la polarisation, ou orientation, du fond diffus cosmologique pour calculer les masses d'énormes amas de galaxies à l'aide d'un nouvel estimateur mathématique. C'est la première fois que des scientifiques mesurent ces masses en utilisant la polarisation du CMB et la nouvelle méthode d'estimation.

"Faire cette estimation est important parce que la majeure partie de la masse des amas de galaxies n'est même pas visible - c'est de la matière noire, qui n'émet pas de lumière mais interagit par gravité et constitue environ 85 % de la matière de notre univers, " a déclaré Benson.

Les travaux des scientifiques pourraient éventuellement faire la lumière sur la matière noire, l'énergie noire et les paramètres cosmologiques qui en disent plus sur la formation des structures dans l'univers.

Destination :Antarctique

À la station Amundsen-Scott Pôle Sud, personnel de soutien et scientifiques, surnommés « béchers, " travailler sans relâche pour gérer le télescope du pôle Sud. Ce n'est pas un travail facile. La station Amundsen-Scott au pôle Sud est située à l'endroit le plus au sud de la Terre, où la température moyenne est de moins 47 degrés Celsius et le soleil se lève et se couche qu'une fois par an. Mais le télescope du pôle Sud, un télescope de 10 mètres chargé d'observer le fond diffus cosmologique, connu sous le nom de CMB, est plus que capable d'atteindre ses objectifs scientifiques dans cet environnement hostile.

La caméra du télescope du pôle Sud mesure de minuscules fluctuations de la polarisation de la lumière CMB à travers le ciel austral de l'ordre de 1 partie sur 100 millions en moyenne, plus sensible que toute autre expérience à ce jour.

"Ces variations minuscules peuvent être affectées par de gros objets tels que les amas de galaxies, qui agissent comme des lentilles qui créent des distorsions distinctives dans notre signal, " a déclaré Benson.

Le signal que Benson et d'autres scientifiques recherchaient était une ondulation à petite échelle autour des amas de galaxies, un effet appelé lentille gravitationnelle. Vous pouvez constater vous-même un effet similaire en regardant à travers la base d'un verre à vin transparent derrière lequel une bougie est allumée.

"Si vous regardez à travers le fond d'un verre à vin une flamme, vous pouvez voir un anneau de lumière. C'est comme l'effet que nous verrions d'une lentille gravitationnelle puissante, " Benson a déclaré. "Nous voyons un effet similaire ici, sauf que la distorsion est beaucoup plus faible et que la lumière CMB est répartie sur une zone beaucoup plus grande du ciel."

Il y avait un problème, toutefois. Les scientifiques ont estimé qu'ils devraient en examiner environ 17, 000 amas de galaxies pour mesurer l'effet de lentille gravitationnelle du CMB et estimer les masses d'amas de galaxies avec certitude, même en utilisant leur nouvel estimateur mathématique. Alors que le télescope du pôle Sud a fourni des mesures plus profondes et plus sensibles de la polarisation du CMB que jamais auparavant, sa bibliothèque d'emplacements de galaxies ne contenait qu'environ 1, 000 amas de galaxies.

Destination :Chili

Pour identifier plus d'emplacements d'amas de galaxies à partir desquels examiner la lentille gravitationnelle de la lumière CMB autour des amas de galaxies, les scientifiques devaient voyager environ 6, 000 kilomètres au nord du pôle Sud jusqu'à la région d'Atacama au Chili, abrite l'Observatoire interaméricain Cerro Tololo.

La caméra à énergie noire, monté 2, 200 mètres au-dessus du niveau de la mer sur le télescope Blanco de 4 mètres à Cerro Tololo, est l'un des plus grands appareils photo numériques au monde. Ses 520 mégapixels voient la lumière des objets provenant de milliards d'années-lumière et les capturent avec une qualité sans précédent. Plus important encore, la caméra capte la lumière et les emplacements du 17, 000 scientifiques sur les amas de galaxies avaient besoin d'observer la lentille gravitationnelle de la lumière CMB par les amas de galaxies.

Les scientifiques ont identifié les emplacements de ces amas à l'aide de trois ans de données du Dark Energy Survey dirigé par le laboratoire Fermi, puis ont mis ces emplacements dans un programme informatique qui a recherché des preuves de lentilles gravitationnelles par les amas dans la polarisation du CMB. Une fois les preuves trouvées, ils pouvaient calculer eux-mêmes les masses des amas de galaxies à l'aide de leur nouvel estimateur mathématique.

Destination :Des lieux préservés

Dans l'étude actuelle, les scientifiques ont découvert que la masse moyenne des amas de galaxies était d'environ 100 000 milliards de fois la masse de notre soleil, une estimation qui concorde avec d'autres méthodes. Une fraction substantielle de cette masse est sous forme de matière noire.

Pour approfondir, les scientifiques prévoient de réaliser des expériences similaires à l'aide d'une caméra améliorée du télescope du pôle Sud, SPT-3G, installé en 2017, et une expérience CMB de nouvelle génération, CMB-S4, qui offrira de nouvelles améliorations de sensibilité et plus d'amas de galaxies à examiner.

Le CMB-S4 sera composé de télescopes dédiés équipés de caméras supraconductrices très sensibles opérant au pôle Sud, le plateau chilien d'Atacama et peut-être des sites de l'hémisphère nord, permettant aux chercheurs de contraindre les paramètres de l'inflation, l'énergie noire et le nombre et les masses des neutrinos, et même tester la relativité générale à grande échelle.

Antoine Bourdain, un conteur et écrivain culinaire doué, autrefois appelé l'Antarctique « le dernier endroit préservé sur Terre… où les gens se réunissent pour explorer l'art de la science pure, à la recherche de quelque chose qui s'appelle des faits."

Les scientifiques vont bien au-delà de l'Antarctique vers un autre endroit préservé, les confins de notre univers, aux prises avec les paramètres cosmologiques fondamentaux et le comportement de la structure dans notre univers.