Comprendre comment notre univers a évolué est lié à la manière dont il se termine et à l'un des plus grands mystères de la physique :l'énergie noire, l'ingrédient inconnu qui fait que notre univers s'étend de plus en plus vite.

Pour étudier les effets de l'énergie noire au cours des 11 derniers milliards d'années, DESI a créé la plus grande carte 3D de notre cosmos jamais construite, avec les mesures les plus précises à ce jour. C'est la première fois que des scientifiques mesurent l'histoire de l'expansion du jeune univers avec une précision supérieure à 1 %, ce qui nous donne la meilleure vision à ce jour de l'évolution de l'univers.

Les chercheurs ont partagé l'analyse de leur première année de collecte de données dans plusieurs articles qui seront publiés aujourd'hui sur arXiv. serveur de pré-impression et en conférence à la réunion de l'American Physical Society aux États-Unis et aux Rencontres de Moriond en Italie.

"Nous sommes incroyablement fiers des données, qui ont produit des résultats cosmologiques de premier plan au monde et sont les premières issues de la nouvelle génération d'expériences sur l'énergie noire", a déclaré Michael Levi, directeur du DESI et scientifique au Lawrence du ministère de l'Énergie. Laboratoire national de Berkeley (Berkeley Lab), qui gère le projet.

"Jusqu'à présent, nous constatons un accord fondamental avec notre meilleur modèle de l'univers, mais nous constatons également des différences potentiellement intéressantes qui pourraient indiquer que l'énergie noire évolue avec le temps. Celles-ci peuvent ou non disparaître avec plus de données, nous sommes donc ravis de commencer bientôt à analyser notre ensemble de données sur trois ans."

Notre modèle phare de l’univers est connu sous le nom de Lambda CDM. Il comprend à la fois un type de matière à faible interaction (matière noire froide ou CDM) et de l'énergie noire (Lambda). La matière et l’énergie noire façonnent la façon dont l’univers se développe, mais de manière opposée. La matière et la matière noire ralentissent l'expansion, tandis que l'énergie noire l'accélère. La quantité de chacun influence la façon dont notre univers évolue. Ce modèle décrit bien les résultats des expériences précédentes et l'apparence de l'univers au fil du temps.

Cependant, lorsque les résultats de la première année de DESI sont combinés avec les données d'autres études, il existe des différences subtiles avec ce que prédirait Lambda CDM. À mesure que DESI rassemblera davantage d'informations au cours de son enquête quinquennale, ces premiers résultats deviendront plus précis, permettant de déterminer si les données pointent vers des explications différentes des résultats que nous observons ou vers la nécessité de mettre à jour notre modèle.

Plus de données amélioreront également les autres premiers résultats du DESI, qui pèsent sur la constante de Hubble (une mesure de la vitesse à laquelle l'univers se développe aujourd'hui) et la masse des particules appelées neutrinos.

"Aucune expérience spectroscopique n'a obtenu autant de données auparavant, et nous continuons à collecter des données provenant de plus d'un million de galaxies chaque mois", a déclaré Nathalie Palanque-Delabrouille, scientifique du Berkeley Lab et co-porte-parole de l'expérience.>

"Il est étonnant qu'avec seulement notre première année de données, nous puissions déjà mesurer l'histoire de l'expansion de notre univers à sept tranches différentes du temps cosmique, chacune avec une précision de 1 à 3 %. L'équipe a déployé un travail énorme pour tiennent compte des subtilités de la modélisation instrumentale et théorique, ce qui nous donne confiance dans la robustesse de nos premiers résultats."

La précision globale du DESI sur l'histoire de l'expansion sur l'ensemble des 11 milliards d'années est de 0,5 %, et l'époque la plus lointaine, couvrant 8 à 11 milliards d'années dans le passé, a une précision record de 0,82 %. Cette mesure de notre jeune univers est incroyablement difficile à faire.

Pourtant, en un an, DESI est devenu deux fois plus puissant pour mesurer l'histoire de l'expansion à ces débuts que son prédécesseur (BOSS/eBOSS du Sloan Digital Sky Survey), qui a pris plus d'une décennie.

"Nous sommes ravis de voir les résultats cosmologiques de la première année d'exploitation de DESI", a déclaré Gina Rameika, directrice associée pour la physique des hautes énergies au DOE. "DESI continue de nous étonner par ses performances exceptionnelles et façonne déjà notre compréhension de l'univers."

Voyage dans le temps

DESI est une collaboration internationale de plus de 900 chercheurs de plus de 70 institutions à travers le monde. L'instrument se trouve au sommet du télescope Nicholas U. Mayall de 4 mètres de la National Science Foundation des États-Unis, à l'observatoire national de Kitt Peak, un programme du NOIRLab de la NSF.

En regardant la carte de DESI, il est facile de voir la structure sous-jacente de l'univers :des bandes de galaxies regroupées, séparées par des vides contenant moins d'objets. Notre tout premier univers, bien au-delà de la vision du DESI, était tout à fait différent :une soupe chaude et dense de particules subatomiques se déplaçant trop rapidement pour former une matière stable comme les atomes que nous connaissons aujourd'hui. Parmi ces particules se trouvaient des noyaux d'hydrogène et d'hélium, collectivement appelés baryons.

De minuscules fluctuations dans ce plasma ionisé précoce ont provoqué des ondes de pression, déplaçant les baryons dans un motif d'ondulations similaire à ce que vous verriez si vous jetiez une poignée de gravier dans un étang. À mesure que l'univers s'étendait et se refroidissait, des atomes neutres se sont formés et les ondes de pression se sont arrêtées, gelant les ondulations en trois dimensions et augmentant le regroupement des futures galaxies dans les zones denses.

Des milliards d'années plus tard, nous pouvons encore voir ce léger motif d'ondulations 3D, ou de bulles, dans la séparation caractéristique des galaxies, une caractéristique appelée oscillations acoustiques baryoniennes (BAO).

Les chercheurs utilisent les mesures du BAO comme règle cosmique. En mesurant la taille apparente de ces bulles, ils peuvent déterminer les distances jusqu'à la matière responsable de ce motif extrêmement faible dans le ciel. Cartographier les bulles BAO de près et de loin permet aux chercheurs de diviser les données en morceaux, de mesurer la vitesse à laquelle l'univers s'est étendu à chaque moment de son passé et de modéliser la façon dont l'énergie noire affecte cette expansion.

"Nous avons mesuré l'histoire de l'expansion sur cette vaste gamme de temps cosmique avec une précision qui surpasse toutes les précédentes enquêtes BAO combinées", a déclaré Hee-Jong Seo, professeur à l'Université de l'Ohio et co-responsable de l'analyse BAO du DESI. "Nous sommes très heureux d'apprendre comment ces nouvelles mesures amélioreront et modifieront notre compréhension du cosmos. Les humains ont une fascination intemporelle pour notre univers, voulant savoir à la fois de quoi il est fait et ce qui lui arrivera."

Utiliser les galaxies pour mesurer l’histoire de l’expansion et mieux comprendre l’énergie noire est une technique, mais elle ne peut aller aussi loin. À un certain point, la lumière des galaxies typiques est trop faible, alors les chercheurs se tournent vers les quasars, des noyaux galactiques extrêmement éloignés et brillants avec des trous noirs en leur centre. La lumière des quasars est absorbée lorsqu'elle traverse des nuages ​​de gaz intergalactiques, ce qui permet aux chercheurs de cartographier les poches de matière dense et de les utiliser de la même manière qu'ils utilisent les galaxies :une technique connue sous le nom de "forêt Lyman-alpha".

"Nous utilisons les quasars comme rétroéclairage pour voir l'ombre du gaz intermédiaire entre les quasars et nous", a déclaré Andreu Font-Ribera, scientifique à l'Institut de physique des hautes énergies (IFAE) en Espagne et codirige le projet Lyman- analyse de la forêt alpha. "Cela nous permet de regarder plus loin, jusqu'à l'époque où l'univers était très jeune. C'est une mesure vraiment difficile à réaliser, et c'est très cool de la voir réussir."

Les chercheurs ont utilisé 450 000 quasars, le plus grand ensemble jamais collecté pour ces mesures de la forêt Lyman-alpha, pour étendre leurs mesures BAO jusqu'à 11 milliards d'années dans le passé. D'ici la fin de l'enquête, DESI prévoit de cartographier 3 millions de quasars et 37 millions de galaxies.

Science de pointe

DESI est la première expérience spectroscopique à effectuer une analyse entièrement « en aveugle », qui dissimule le véritable résultat aux scientifiques afin d'éviter tout biais de confirmation inconscient. Les chercheurs travaillent dans le noir avec des données modifiées et écrivent le code pour analyser leurs résultats. Une fois que tout est finalisé, ils appliquent leur analyse aux données originales pour révéler la véritable réponse.

"La manière dont nous avons effectué l'analyse nous donne confiance dans nos résultats, et en particulier en montrant que la forêt Lyman-alpha est un outil puissant pour mesurer l'expansion de l'univers", a déclaré Julien Guy, scientifique au Berkeley Lab et co-responsable de traiter les informations des spectrographes de DESI.

"L'ensemble de données que nous collectons est exceptionnel, tout comme la vitesse à laquelle nous les collectons. C'est la mesure la plus précise que j'ai jamais effectuée de ma vie."

Les données de DESI seront utilisées pour compléter les futures études du ciel telles que celles de l'observatoire Vera C. Rubin et du télescope spatial romain Nancy Grace, et pour préparer une éventuelle mise à niveau de DESI (DESI-II) recommandée dans un récent rapport de l'organisme américain Particle. Panel de priorisation des projets de physique.

"Nous sommes dans l'âge d'or de la cosmologie, avec des études à grande échelle en cours ou sur le point de démarrer, et de nouvelles techniques en cours de développement pour tirer le meilleur parti de ces ensembles de données", a déclaré Arnaud de Mattia, chercheur à l'organisme français Énergies alternatives et Commission de l'énergie atomique (CEA) et co-responsable du groupe d'interprétation des données cosmologiques du DESI.

"Nous sommes tous très motivés à l'idée de voir si de nouvelles données confirmeront les caractéristiques que nous avons observées dans notre échantillon de première année et permettront de mieux comprendre la dynamique de notre univers."