L'univers que nous voyons n'est que la pointe du vaste iceberg cosmique.

Les centaines de milliards de galaxies qu'il contient, chacun d'eux abrite des milliards d'étoiles, des planètes et des lunes ainsi que des nuages ​​massifs de gaz et de poussière formant des étoiles et des planètes, et toute la lumière visible et toute autre énergie que nous pouvons détecter sous forme de rayonnement électromagnétique, comme les ondes radio, rayons gamma et rayons X, bref, tout ce que nous avons vu avec nos télescopes ne représente qu'environ 5% de toute la masse et de l'énergie de l'univers.

A côté de cette matière dite normale, il y a aussi de la matière noire, qui ne se voit pas, mais peut être observé par son effet gravitationnel sur la normale, matière visible, et représente encore 27 % de l'univers. Ajoutez-les ensemble, et ils ne totalisent que 32 % de la masse de l'univers, alors où sont les 68 % restants ?

Énergie noire.

Alors, qu'est-ce que l'énergie noire exactement ? Mettre tout simplement, c'est une force mystérieuse qui pousse l'univers vers l'extérieur et l'amène à s'étendre plus rapidement à mesure qu'il vieillit, engagé dans un bras de fer cosmique avec la matière noire, qui essaie de rassembler l'univers. Au-delà de ça, nous ne comprenons pas encore ce qu'est l'énergie noire, mais les astronomes de Penn State sont au cœur d'un groupe qui vise à le découvrir à travers un projet unique et ambitieux de 16 ans :HETDEX, l'expérience d'énergie noire du télescope Hobby-Eberly.

"HETDEX a le potentiel de changer la donne, " a déclaré Donghui Jeong, professeur agrégé d'astronomie et d'astrophysique.

L'énergie noire et l'univers en expansion

Aujourd'hui, les astronomes s'accordent à dire que l'univers dans lequel nous habitons est en expansion, et que son expansion s'accélère, mais l'idée d'un univers en expansion a moins d'un siècle, et la notion d'énergie noire (ou toute autre chose) accélérant cette expansion n'existe que depuis un peu plus de 20 ans.

En 1917, lorsqu'Albert Einstein appliqua sa théorie de la relativité générale pour décrire l'univers dans son ensemble, jeter les bases de la théorie du big bang, lui et d'autres scientifiques de premier plan à cette époque conçoivent le cosmos comme statique et non en expansion. Mais pour empêcher cet univers de s'effondrer sous la force d'attraction de la gravité, il avait besoin d'introduire une force répulsive pour la contrer :la constante cosmologique.

Ce n'est qu'en 1929 qu'Edwin Hubble a découvert que l'univers est en fait en expansion, et que les galaxies plus éloignées de la Terre s'éloignent plus vite que celles qui en sont plus proches, que le modèle d'un univers statique a finalement été abandonné. Même Einstein n'a pas tardé à modifier ses théories, au début des années 1930 en publiant deux modèles nouveaux et distincts de l'univers en expansion, les deux sans la constante cosmologique.

Mais bien que les astronomes aient finalement compris que l'univers était en expansion, et avait plus ou moins abandonné le concept de constante cosmologique, ils supposaient également que l'univers était dominé par la matière et que la gravité finirait par ralentir son expansion; l'univers continuerait soit à s'étendre pour toujours, mais de plus en plus lentement, ou il cesserait à un moment donné son expansion puis s'effondrerait, se terminant par un "gros craquement".

"C'est ainsi que nous pensions que l'univers fonctionnait, jusqu'en 1998, " a déclaré le professeur d'astronomie et d'astrophysique Robin Ciardullo, membre fondateur de HETDEX.

Cette année, deux équipes indépendantes, l'une dirigée par Saul Perlmutter au Lawrence Berkeley National Laboratory, et l'autre dirigé par Brian Schmidt de l'Université nationale australienne et Adam Riess du Space Telescope Science Institute - publierait presque simultanément des résultats étonnants montrant que l'expansion de l'univers s'accélérait en fait, entraînée par une mystérieuse force antigravité. Plus tard cette année, Le cosmologiste Michael Turner de l'Université de Chicago et du Fermilab a inventé le terme « énergie noire » pour décrire cette force mystérieuse.

La découverte serait nommée "Percée de l'année" par le magazine Science en 1998, et en 2011 Perlmutter, Schmidt et Reiss recevront le prix Nobel de physique.

Théories concurrentes

Plus de 20 ans après la découverte de l'énergie noire, les astronomes ne savent toujours pas quoi, exactement, il est.

"Chaque fois que les astronomes disent" sombre, " cela signifie que nous n'en avons aucune idée, " dit Jeong avec un sourire ironique. " L'énergie noire n'est qu'une autre façon de dire que nous ne savons pas ce qui cause cette expansion accélérée. "

Il y a, cependant, un certain nombre de théories qui tentent d'expliquer l'énergie noire, et quelques prétendants majeurs.

L'explication la plus favorisée est peut-être la constante cosmologique précédemment abandonnée, que les physiciens modernes décrivent comme l'énergie du vide. "Le vide en physique n'est pas un état de rien, " expliqua Jeong. " C'est un endroit où les particules et les antiparticules sont continuellement créées et détruites. " L'énergie produite dans ce cycle perpétuel pourrait exercer une force de poussée vers l'extérieur sur l'espace lui-même, provoquant son expansion, initié dans le big bang, accélérer.

Malheureusement, les calculs théoriques de l'énergie du vide ne correspondent pas aux observations - d'un facteur allant jusqu'à 10 ¹²⁰ , ou un un suivi de 120 zéros. "C'est très, très inhabituel, " Jeong a dit, "Mais c'est là que nous en serons si l'énergie noire s'avère constante." Il est clair que cet écart est un problème majeur, et cela pourrait nécessiter un remaniement de la théorie actuelle, mais la constante cosmologique sous forme d'énergie du vide est néanmoins la principale candidate jusqu'à présent.

De par sa conception, HETDEX collecte une quantité massive de données, s'étendant bien au-delà de ses cibles prévues et fournissant des informations supplémentaires sur des éléments tels que la matière noire et les trous noirs, la formation et l'évolution des étoiles et des galaxies, et la physique des particules cosmiques de haute énergie telles que les neutrinos.

Une autre explication possible est une nouvelle, particule ou champ encore inconnu qui imprégnerait tout l'espace ; mais si loin, il n'y a aucune preuve à l'appui.

Une troisième possibilité est que la théorie de la gravité d'Einstein est incorrecte. "Si vous partez de la mauvaise équation, " Jeong a dit, « Alors vous obtenez la mauvaise réponse. » Il existe des alternatives à la relativité générale, mais chacun a ses propres problèmes et aucun ne l'a encore remplacé en tant que théorie régnante. Pour l'instant, c'est toujours la meilleure description de la gravité que nous ayons.

Finalement, ce qu'il faut, ce sont des données d'observation plus nombreuses et de meilleure qualité, précisément ce que HETDEX a été conçu pour collecter comme aucune autre enquête ne l'a fait auparavant.

Une carte des étoiles et du son

« HETDEX est très ambitieux, " a déclaré Ciardullo. " Il va observer un million de galaxies pour cartographier la structure de l'univers sur les deux tiers du chemin depuis le début des temps. Nous sommes les seuls à aller aussi loin pour voir la composante d'énergie noire de l'univers et comment elle évolue."

Ciardullo, un astronome d'observation qui étudie tout, des étoiles proches aux galaxies lointaines et à la matière noire, est le responsable des observations d'HETDEX. Il s'empresse de noter, bien que, qu'il a de l'aide dans ce rôle (de Jeong et d'autres) et que lui et tous les autres membres du projet portent plus d'un chapeau. "C'est un très gros projet, " il a dit. " C'est plus de 40 millions de dollars. Mais si vous comptez les têtes, il n'y a pas beaucoup de monde. Et donc nous faisons tous plus d'une chose."

Jeong, un astrophysicien théoricien et cosmologue qui étudie également les ondes gravitationnelles, a contribué à jeter les bases de l'étude et est fortement impliqué dans l'analyse des données du projet - et il aide également Ciardullo à déterminer où pointer le télescope Hobby-Eberly de 10 mètres, le troisième au monde. "C'est assez intéressant, " nota-t-il avec un petit rire, "un théoricien disant aux observateurs où chercher."

Alors que d'autres études mesurent l'expansion de l'univers à l'aide de supernovae distantes ou d'un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle, où la lumière est courbée par la gravité d'objets massifs tels que les galaxies et les trous noirs, HETDEX se concentre sur les ondes sonores du big bang, appelées oscillations acoustiques baryoniques. Bien que nous ne puissions pas réellement entendre les sons dans le vide de l'espace, les astronomes peuvent voir l'effet de ces ondes sonores primordiales sur la répartition de la matière dans l'univers.

Au cours des 400 premiers, Quelques milliers d'années après le big bang, l'univers existait aussi dense, plasma chaud - une soupe de particules de matière et d'énergie. De minuscules perturbations appelées fluctuations quantiques dans ce plasma déclenchent des ondes sonores, comme les ondulations d'un caillou jeté dans un étang, qui a aidé la matière à commencer à s'agglomérer et à former la structure initiale de l'univers. Le résultat de cet agglutination est évident dans le fond diffus cosmologique (également appelé « rémanence » du big bang), qui est la première lumière, et le plus en arrière, que nous pouvons voir dans l'univers. Et c'est aussi imprimé dans la distribution des galaxies tout au long de l'histoire de l'univers, comme les ondulations sur notre étang, figé dans l'espace.

"La physique des ondes sonores est assez bien connue, " dit Ciardullo. " Vous voyez jusqu'où ces choses sont allées, tu sais à quelle vitesse les ondes sonores ont voyagé, donc tu connais la distance. Vous avez une règle standard sur l'univers, tout au long de l'histoire cosmique."

Au fur et à mesure que l'univers s'est étendu, le souverain s'est élargi, et ces écarts dans la règle montreront comment le taux d'expansion de l'univers, entraîné par l'énergie noire, a changé au fil du temps.

"Essentiellement, " Jeong a dit, "Nous créons une carte tridimensionnelle des galaxies et la mesurons ensuite."

Nouvel espace découverte

Pour faire leur carte d'un million de galaxies, l'équipe HETDEX avait besoin d'un nouvel instrument puissant.

Un ensemble de plus de 150 spectrographes appelés VIRUS (Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrographs), monté sur le télescope Hobby-Eberly, rassemble la lumière de ces galaxies dans un réseau d'environ 35, 000 fibres optiques, puis le divise en ses longueurs d'onde composantes dans un continuum ordonné appelé spectre.

Les spectres des galaxies révèlent, entre autres, la vitesse à laquelle ils s'éloignent de nous, une mesure connue sous le nom de « décalage vers le rouge ». En raison de l'effet Doppler, la longueur d'onde d'un objet qui s'éloigne de son observateur est étirée (pensez à une sirène dont la hauteur diminue au fur et à mesure qu'elle s'éloigne), et un objet se déplaçant vers son observateur a sa longueur d'onde comprimée, comme cette même sirène qui s'accentue à mesure qu'elle se rapproche. Dans le cas des galaxies en recul, leur lumière est étirée et donc décalée vers l'extrémité rouge du spectre.

La mesure de ce décalage vers le rouge permet à l'équipe HETDEX de calculer la distance de ces galaxies et de produire une carte tridimensionnelle précise de leurs positions.

Parmi les galaxies observées par HETDEX, il y a ce que l'on appelle les galaxies Lyman-alpha, de jeunes galaxies en formation d'étoiles qui émettent de fortes raies spectrales à des longueurs d'onde ultraviolettes spécifiques.

"Nous utilisons des galaxies émettrices de Lyman alpha comme" particule traceuse, '", a expliqué le professeur de recherche en astronomie et astrophysique Caryl Gronwall, qui est également membre fondateur de HETDEX. "Ils sont faciles à trouver car ils ont une raie d'émission très forte, ce qui est facile à trouver par spectroscopie avec l'instrument VIRUS. Nous avons donc cette méthode qui sélectionne efficacement les galaxies à un décalage vers le rouge assez élevé, et alors nous pouvons mesurer où ils sont, mesurer leurs propriétés.

Gronwall, qui, avec Ciardullo, étudie les galaxies Lyman-alpha depuis près de 20 ans, dirige les efforts d'HETDEX dans ce domaine, tandis que le professeur agrégé d'astronomie et d'astrophysique Derek Fox apporte son expertise à l'étalonnage de l'instrument VIRUS, en utilisant des observations fortuites d'étoiles aux propriétés bien connues pour affiner ses spectres.

"Chaque photo que nous prenons avec HETDEX, on observe des étoiles sur les fibres, " expliqua Fox. " C'est une opportunité, parce que les étoiles vous disent à quel point votre expérience est sensible. Si vous connaissez la luminosité des étoiles et que vous voyez les données que vous collectez sur elles, il offre une opportunité de garder votre étalonnage sur le point."

L'une des plus grandes forces d'HETDEX est qu'il a été conçu comme une enquête à l'aveugle - observant de larges bandes de ciel au lieu de spécifiques, objets prédéterminés. "Personne n'a essayé de faire un sondage comme celui-ci auparavant, " dit Ciardullo. " C'est toujours " Trouvez vos objets, puis faites la spectroscopie. "Nous sommes les premiers à essayer de faire beaucoup de spectroscopie et ensuite à comprendre ce que nous avons vu."

À la suite de cette conception, HETDEX collecte une quantité massive de données, s'étendant bien au-delà de ses cibles prévues et fournissant des informations supplémentaires sur des éléments tels que la matière noire et les trous noirs, la formation et l'évolution des étoiles et des galaxies, et la physique des particules cosmiques de haute énergie telles que les neutrinos.

"C'est très différent et très intéressant, " a déclaré Jeong. "Nous avons un énorme espace de découverte."

Ciardullo ajouté, "Une chose que vous pouvez déduire - si vous devez d'abord voir un objet avant de pointer votre spectroscope là-bas, ben c'est bien, mais il faut que l'objet puisse être vu. HETDEX peut observer des spectres de choses que vous ne pouvez pas voir."

Cela signifie qu'en plus des données connues qu'il collecte, HETDEX ouvre une fenêtre sur des découvertes inattendues, découvertes encore imprévisibles. "Nous serons un pionnier pour plus d'expériences, " dit Ciardullo, et ce sentiment est partagé par les autres membres de l'équipe, y compris Fox.

"Nous allons certainement ouvrir des pistes là-bas, " dit-il. " Il y a du gros, grand potentiel pour des découvertes vraiment passionnantes."

Retour aux racines, et au-delà

La science futuriste de HETDEX est, dans une étrange tournure, tout à fait conforme aux idées qui ont conduit au développement du télescope Hobby-Eberly (HET) il y a près de 40 ans.

"HET a été initialement conçu comme le Penn State Spectroscopic Survey Telescope, " a expliqué le professeur émérite d'astronomie et d'astrophysique Larry Ramsey, qui a inventé le télescope en 1983 avec son collègue de Penn State, Dan Weedman, et a ensuite été président du conseil d'administration de la HET. « La mission initiale était de mener des relevés spectroscopiques, et au cours des près de 20 ans entre le moment où nous avons consacré le télescope pour la première fois et celui où nous avons lancé HETDEX, le télescope ne faisait pas vraiment de relevés. Donc, dans un sens très réel, HETDEX ramène le HET à ses racines, et c'est devenu un projet vraiment intéressant."

"L'échelle de cette enquête est très futuriste, même maintenant, " dit Jeong. Rappelant une récente conférence de cosmologie, il a relaté une discussion sur l'avenir des levés galactiques. "Je me suis assis là et j'ai écouté, et c'était essentiellement ce que nous faisions, " at-il dit. " HETDEX est une future enquête qui existe maintenant. "

En plus de ce que HETDEX découvre sur l'énergie noire, les données qu'il recueille fourniront également du fourrage pour de futures études bien au-delà de la portée de sa propre mission. Et les chances sont, HETDEX continuera à faire de la science « de rupture spatiale » sur le lointain, univers à fort décalage vers le rouge pour quelques années à venir.

"Même les futurs sondages actuellement prévus ne vont pas au-delà de HETDEX, " a déclaré Jeong. "Je pense que nous serons toujours à l'avant-garde, même dans 10 ans."