Avec 5 000 minuscules robots dans un télescope au sommet d’une montagne, l’instrument spectroscopique de l’énergie sombre (DESI) permet aux chercheurs de regarder 11 milliards d’années dans le passé. La lumière provenant d’objets éloignés dans l’espace vient tout juste d’atteindre DESI, permettant aux scientifiques de cartographier le cosmos tel qu’il était dans sa jeunesse tout en retraçant sa croissance. Comprendre comment l'univers a évolué est lié à l'un des plus grands mystères de la physique :l'énergie noire, qui, selon les chercheurs, est à l'origine de l'expansion de l'univers.

DESI est une collaboration scientifique internationale impliquant plus de 800 scientifiques du monde entier. Parmi eux se trouvent des chercheurs du groupe de cosmologie de l'Université de Rochester, un groupe interdisciplinaire qui comprend des professeurs, des associés de recherche postdoctoraux, des étudiants diplômés et des étudiants de premier cycle en physique, astronomie, science des données et informatique. Le groupe est co-dirigé par Regina Demina, professeur de physique; Segev BenZvi, professeur agrégé de physique; et Kelly Douglass, professeur adjoint de physique et d'astronomie (enseignement).

DESI est actuellement au milieu d'une quête de cinq ans visant à mesurer 40 millions de galaxies et de quasars et à créer la plus grande carte 3D du cosmos jamais construite, avec les mesures les plus précises à ce jour. L’instrument a commencé son enquête en 2021 et les chercheurs ont récemment annoncé leur analyse de la première année de données collectées, notamment des mesures du taux d’expansion et de la composition de l’univers. Ils ont publié leur analyse dans plusieurs articles sur arXiv serveur de préimpression.

"Les données DESI représentent une énorme augmentation en taille par rapport à tout ce que nous avons collecté auparavant", explique Douglass. "L'échantillon de galaxies et de quasars de la première année du DESI est déjà six fois plus grand que les mesures combinées de toutes les précédentes enquêtes spectroscopiques menées au cours des 40 dernières années."

Et les données de la première année ne sont qu'un début, ajoute Demina :"L'ensemble complet de données nous permettra d'examiner de plus près l'aube même de notre univers, une période au cours de laquelle l'univers a connu une expansion exponentielle rapide."

Des yeux optiques sur le ciel

L'instrument DESI réside sur le télescope Mayall modernisé de l'observatoire national de Kitt Peak de la National Science Foundation, près de Tucson, en Arizona. L'instrument intègre des optiques qui augmentent le champ de vision du télescope et comprend 5 000 fibres optiques contrôlées par robot pour recueillir des données spectroscopiques à partir d'objets dans le champ de vision du télescope et étudier les positions tridimensionnelles des galaxies et des quasars dans l'univers.

Le groupe de Rochester fait partie de DESI depuis 2017. Les membres du groupe ont joué un rôle clé dans la mise en service et l'exploitation de l'instrument, notamment en développant et en dépannant un logiciel pour garantir que les 5 000 fibres sont pointées de manière optimale vers leurs cibles.

Les membres du groupe de Rochester ont également contribué de manière significative à la validation des données de la première année, notamment en étudiant les incertitudes systématiques (erreurs ou variations potentielles) qui pourraient affecter les mesures, afin de mieux garantir l'exactitude et la fiabilité des résultats.

Décoder l'expansion de l'univers et l'énergie noire

DESI est conçu pour mesurer les oscillations acoustiques baryoniques (BAO), d'énormes structures semblables à des bulles que suivent les galaxies, formées par les conditions peu après le Big Bang. Au cours de sa première année, DESI a utilisé 5,7 millions de galaxies et de quasars de son échantillon spectroscopique pour mesurer la taille du BAO et estimer la vitesse d'expansion de l'univers, une quantité connue sous le nom de constante de Hubble.

Les BAO sont également utilisés pour contraindre les densités de matière noire et d’énergie noire. Les scientifiques ont longtemps cru que l’univers s’étendait à un rythme constant, mais en 1999, il s’est avéré que le taux d’expansion s’accélérait. On suppose que l'énergie sombre est à l'origine de l'accélération.

Certaines théories suggèrent qu'un ou plusieurs champs scalaires (forces invisibles qui agrandissent l'univers), similaires au champ scalaire supposé être à l'origine de la croissance inflationniste de l'univers peu après le Big Bang, contribuent à l'énergie noire.

"Jusqu'à présent, l'humanité ne connaît qu'un seul champ scalaire :le champ de Higgs", explique Demina, qui faisait partie de l'équipe qui a découvert le champ de Higgs en 2012 à l'aide du Grand collisionneur de hadrons du CERN en Suisse. "Il est maintenant temps de vérifier s'il existe d'autres champs de ce type."

Une autre question à laquelle DESI cherche à répondre est de savoir si l’énergie noire a une valeur constante partout dans l’univers – connue sous le nom de constante cosmologique – ou si ses propriétés diffèrent dans le temps et dans l’espace. Bien que les mesures BAO de la première année du DESI soient compatibles avec une constante cosmologique, elles favorisent légèrement un modèle qui suggère que l'énergie noire est un champ évolutif ou « dynamique ».

Selon BenZvi, « les preuves en faveur de l'évolution de l'énergie noire pourraient être très intéressantes, mais cela pourrait aussi être une fluctuation fortuite. Nous ne pouvons en être sûrs qu'après avoir examiné le prochain lot de données. L'estimation actuelle est fin 2025 pour la prochaine version."