Les cosmologistes ont trouvé un moyen de doubler la précision de la mesure des distances jusqu'aux explosions de supernova, l'un de leurs outils éprouvés pour étudier la mystérieuse énergie noire qui fait que l'univers s'étend de plus en plus vite. Les résultats de la collaboration Nearby Supernova Factory (SNfactory), dirigé par Greg Aldering du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, permettra aux scientifiques d'étudier l'énergie noire avec une précision et une exactitude grandement améliorées, et fournir un puissant recoupement de la technique sur de vastes distances et dans le temps. Les résultats seront également au cœur des grandes expériences de cosmologie à venir qui utiliseront de nouveaux télescopes terrestres et spatiaux pour tester des explications alternatives de l'énergie noire.

Deux articles publiés dans le Journal d'astrophysique rapporter ces conclusions, avec Kyle Boone comme auteur principal. Actuellement stagiaire postdoctoral à l'Université de Washington, Boone est un ancien étudiant diplômé du lauréat du prix Nobel Saul Perlmutter, le scientifique principal du Berkeley Lab et professeur à l'UC Berkeley qui a dirigé l'une des équipes qui ont initialement découvert l'énergie noire. Perlmutter était également co-auteur des deux études.

Les supernovae ont été utilisées en 1998 pour faire la découverte surprenante que l'expansion de l'univers s'accélère, plutôt que de ralentir comme prévu. Cette accélération, attribuée à l'énergie noire qui représente les deux tiers de toute l'énergie de l'univers, a depuis été confirmée par diverses techniques indépendantes ainsi que par des études plus détaillées des supernovae.

La découverte de l'énergie noire reposait sur l'utilisation d'une classe particulière de supernovae, Tapez Ia. Ces supernovae explosent toujours avec presque la même luminosité maximale intrinsèque. Parce que la luminosité maximale observée de la supernova est utilisée pour déduire sa distance, les petites variations restantes de la luminosité maximale intrinsèque limitaient la précision avec laquelle l'énergie noire pouvait être testée. Malgré 20 ans d'améliorations par de nombreux groupes, les études de supernovae sur l'énergie noire sont jusqu'à présent restées limitées par ces variations.

Quadrupler le nombre de supernovae

Les nouveaux résultats annoncés par la SNfactory sont issus d'une étude pluriannuelle entièrement consacrée à l'augmentation de la précision des mesures cosmologiques réalisées avec les supernovae. La mesure de l'énergie noire nécessite des comparaisons des luminosités maximales des supernovae distantes à des milliards d'années-lumière avec celles des supernovae proches "à seulement" 300 millions d'années-lumière. L'équipe a étudié des centaines de ces supernovas proches dans des détails exquis. Chaque supernova a été mesurée un certain nombre de fois, à quelques jours d'intervalle. Chaque mesure a examiné le spectre de la supernova, enregistrant son intensité dans toute la gamme de longueurs d'onde de la lumière visible. Un instrument sur mesure pour cette enquête, le spectromètre de champ intégral SuperNova, installé au télescope de 2,2 mètres de l'Université d'Hawaï à Maunakea, a été utilisé pour mesurer les spectres.

"Nous avons longtemps eu cette idée que si la physique de l'explosion de deux supernovae était la même, leurs luminosités maximales seraient les mêmes. En utilisant les spectres Nearby Supernova Factory comme une sorte de scan CAT à travers l'explosion de la supernova, nous pourrions tester cette idée, " dit Perlmutter.

En effet, il y a plusieurs années, la physicienne Hannah Fakhouri, puis étudiant diplômé travaillant avec Perlmutter, fait une découverte clé des résultats d'aujourd'hui. En regardant une multitude de spectres pris par la SNfactory, elle a constaté que dans un certain nombre de cas, les spectres de deux supernovae différentes semblaient presque identiques. Parmi la cinquantaine de supernovae, certains étaient des jumeaux pratiquement identiques. Lorsque les spectres ondulés d'une paire de jumeaux ont été superposés, à l'œil il n'y avait qu'une seule piste. L'analyse actuelle s'appuie sur cette observation pour modéliser le comportement des supernovae dans la période proche du moment de leur luminosité maximale.

Le nouveau travail quadruple presque le nombre de supernovae utilisées dans l'analyse. Cela a rendu l'échantillon suffisamment grand pour appliquer des techniques d'apprentissage automatique pour identifier ces jumeaux, menant à la découverte que les spectres de supernova de type Ia ne varient que de trois manières. Les brillances intrinsèques des supernovae dépendent aussi principalement de ces trois différences observées, permettant de mesurer les distances des supernovas avec une précision remarquable d'environ 3%.

Tout aussi important, cette nouvelle méthode ne souffre pas des biais qui ont assailli les méthodes précédentes, vu en comparant les supernovae trouvées dans différents types de galaxies. Puisque les galaxies proches sont quelque peu différentes des lointaines, on craignait sérieusement qu'une telle dépendance produise de fausses lectures dans la mesure de l'énergie noire. Maintenant, cette préoccupation peut être considérablement réduite en mesurant les supernovae distantes avec cette nouvelle technique.

En décrivant ce travail, Boone a noté, « La mesure conventionnelle des distances de supernova utilise des courbes de lumière – des images prises en plusieurs couleurs alors qu'une supernova s'éclaircit et s'estompe. Au lieu de cela, nous avons utilisé un spectre de chaque supernova. C'est tellement plus détaillé, et avec des techniques d'apprentissage automatique, il est alors devenu possible de discerner le comportement complexe qui était essentiel pour mesurer des distances plus précises."

Les résultats des articles de Boone bénéficieront à deux expériences majeures à venir. La première expérience sera à l'observatoire Rubin de 8,4 mètres, en construction au Chili, avec son Legacy Survey of Space and Time, un projet conjoint du ministère de l'Énergie et de la National Science Foundation. Le second est le futur télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA. Ces télescopes mesureront des milliers de supernovae pour améliorer encore la mesure de l'énergie noire. Ils pourront confronter leurs résultats à des mesures réalisées à l'aide de techniques complémentaires.

Aulne, également co-auteur des articles, observé que « non seulement cette technique de mesure de distance est plus précise, il ne nécessite qu'un seul spectre, prise lorsqu'une supernova est la plus brillante et donc la plus facile à observer - ça change la donne!" Disposer d'une variété de techniques est particulièrement utile dans ce domaine où les idées préconçues se sont avérées fausses et le besoin de vérification indépendante est élevé.