Nous disposons désormais d’un modèle standard de cosmologie, la version actuelle de la théorie du Big Bang. Même si cette initiative s’est avérée très efficace, ses conséquences sont stupéfiantes. Nous ne connaissons que 5 % du contenu de l’univers, qui est de la matière normale. Les 95% restants sont constitués de deux entités exotiques qui n'ont jamais été produites en laboratoire et dont la nature physique est encore inconnue.
Il s’agit de la matière noire, qui représente 25 % du contenu du cosmos, et de l’énergie noire, qui en contribue à 70 %. Dans le modèle standard de la cosmologie, l'énergie sombre est l'énergie de l'espace vide et sa densité reste constante tout au long de l'évolution de l'univers.
Selon cette théorie, les ondes sonores se sont propagées dès le tout début de l’univers. À ces premiers stades, l’univers avait une température et une densité énormes. La pression dans ce gaz initial tentait de séparer les particules qui le formaient, tandis que la gravité tentait de les rapprocher, et la compétition entre les deux forces créait des ondes sonores qui se propageaient depuis le début de l'univers jusqu'à environ 400 000 ans après le Big Bang. .
À ce moment-là, le rayonnement et la matière ont cessé d’interagir et les ondes se sont figées, laissant une empreinte sur la répartition spatiale de la matière. Cette empreinte est observée comme une petite accumulation préférentielle de galaxies séparées par une distance caractéristique, appelée échelle des Oscillations Acoustiques Baryoniques (BAO) par les cosmologistes, et correspond à la distance parcourue par les ondes sonores au cours de ces 400 000 années.
Le Dark Energy Survey (DES) vient de mesurer l'échelle BAO alors que l'univers avait la moitié de son âge actuel avec une précision de 2 %, la détermination la plus précise à ce jour à une époque aussi précoce, et c'est la première fois qu'une mesure basée uniquement sur l'imagerie est compétitive. avec de grandes campagnes de spectroscopie spécifiquement conçues pour détecter ce signal.
La distance parcourue par l'onde sonore dans l'univers primitif dépend de processus physiques bien connus, elle peut donc être déterminée avec une grande précision, établissant ainsi une référence pour l'univers. C'est ce que les cosmologistes appellent une règle standard. Dans ce cas, sa longueur est d'environ 500 millions d'années-lumière.
En observant l'angle que sous-tend cette règle standard dans le ciel à différentes distances (ou, en d'autres termes, à différentes époques de l'univers), on peut déterminer l'histoire de l'expansion cosmique et, avec elle, les propriétés physiques de l'énergie noire. . Il peut notamment être déterminé en analysant le fond diffus cosmologique, le rayonnement libéré lors de la formation des atomes, 400 000 ans après le Big Bang, qui nous donne un instantané du tout premier univers, tel que publié par la collaboration Planck en 2018.
Il peut également être déterminé dans l'univers tardif en étudiant l'échelle BAO dans les cartographies galactiques, comme l'a fait DES. L'analyse de la cohérence des deux déterminations est l'un des tests les plus exigeants du modèle standard de cosmologie.
"C'est une fierté de voir comment, après presque vingt ans d'efforts continus, DES produit des résultats scientifiques de la plus haute importance en cosmologie", déclare Eusebio Sánchez, chef du groupe de cosmologie du CIEMAT. "C'est une excellente récompense pour les efforts investis dans le projet."
"Ce que nous avons observé, c'est que les galaxies ont plus tendance à être séparées les unes des autres par un angle de 2,90 degrés sur le ciel par rapport à d'autres distances", commente Santiago Ávila, chercheur postdoctoral à l'IFAE et l'un des coordinateurs de l'analyse. "C'est le signal ! L'onde est clairement visible dans les données", ajoute-t-il, faisant référence au premier chiffre. "C'est une préférence subtile, mais statistiquement pertinente", dit-il, "et nous pouvons déterminer la configuration des vagues avec une précision de 2 %. Pour référence, la pleine lune occupe un demi-degré de diamètre dans le ciel. Donc si nous pouvions pour voir les galaxies à l'oeil nu, la distance BAO ressemblerait à six pleines lunes."
Pour mesurer l'échelle BAO, DES a utilisé 16 millions de galaxies, réparties sur un huitième du ciel, spécialement sélectionnées pour déterminer leur distance avec suffisamment de précision.
"Il est important de sélectionner un échantillon de galaxies qui nous permette de mesurer l'échelle BAO aussi précisément que possible", explique Juan Mena, titulaire de son doctorat. au CIEMAT sur cette étude et est maintenant chercheur postdoctoral au Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie de Grenoble (France). "Notre échantillon est optimisé pour avoir un bon compromis entre un plus grand nombre de galaxies et la certitude avec laquelle nous pouvons déterminer leur distance."
Les distances cosmologiques sont si grandes que la lumière met des milliards d'années pour nous atteindre, nous permettant ainsi d'observer le passé cosmique. L'échantillon de galaxies utilisé dans cette étude ouvre une fenêtre sur l'univers d'il y a sept milliards d'années, soit un peu moins de la moitié de son âge actuel.
"L'une des tâches les plus compliquées du processus consiste à nettoyer l'échantillon de galaxie des contaminants observés :distinguer les galaxies des étoiles ou atténuer les effets de l'atmosphère sur les images", explique Martín Rodríguez Monroy, chercheur postdoctoral à l'IFT de Madrid. .
Une découverte intéressante de cette étude est que la taille que ces ondes occupent dans le ciel est 4 % plus grande que celle prévue à partir des mesures effectuées par le satellite Planck de l'ESA dans l'univers primitif en utilisant le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes. Compte tenu de l’échantillon de galaxies et des incertitudes de l’analyse, cet écart a 5 % de chances d’être une simple fluctuation statistique. Si ce n'était pas le cas, nous pourrions être confrontés à l'un des premiers indices selon lesquels la théorie actuelle de la cosmologie n'est pas tout à fait complète et que la nature physique des composants sombres est encore plus exotique qu'on ne le pensait auparavant.
"Par exemple, l'énergie noire n'est peut-être pas l'énergie du vide. Sa densité peut changer avec l'expansion de l'univers, ou même l'espace peut être légèrement courbé", explique Anna Porredon, chercheuse espagnole à l'université de la Ruhr à Bochum (RUB). en Allemagne. Cette chercheuse, membre du programme Actions Marie Sklodowska-Curie de l'Union européenne, a été l'un des coordinateurs de cette analyse.
L'échelle BAO a été mesurée par d'autres projets cosmologiques avant le DES à différents âges de l'univers, principalement le Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) et son extension (eBOSS), conçus à cet effet. Cependant, la mesure DES est la plus précise à un âge aussi précoce de l’univers, avec la moitié de l’incertitude de l’eBOSS à cette époque. L'augmentation significative de la précision a permis de révéler l'éventuelle divergence de l'échelle BAO par rapport au modèle standard de la cosmologie.
"Pour suivre cette voie, la prochaine étape cruciale consiste à combiner ces informations avec d'autres techniques explorées par le DES pour comprendre la nature de l'énergie noire", commente Hugo Camacho, chercheur postdoctoral au Brookhaven National Laboratory (États-Unis), anciennement à l'Institut de Physique théorique à l'Université d'État de São Paulo au Brésil (IFT-UNESP) et membre du Laboratorio Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA). "De plus, le DES ouvre également la voie à une nouvelle ère de découvertes en cosmologie, qui sera suivie par de futures expériences avec des mesures encore plus précises."
Comme son nom l'indique, DES est un grand projet cosmologique spécialement conçu pour étudier les propriétés de l'énergie noire. Il s'agit d'une collaboration internationale de plus de 400 scientifiques de sept pays dont le siège est au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE des États-Unis, près de Chicago. Le projet est conçu pour utiliser quatre méthodes mutuellement complémentaires :les distances cosmologiques avec les supernovae, le nombre d'amas de galaxies, la répartition spatiale des galaxies et le faible effet de lentille gravitationnelle.
De plus, ces méthodes peuvent être combinées pour obtenir une puissance statistique plus élevée et un meilleur contrôle des observations, qui devraient être cohérentes. La combinaison de l’effet de lentille gravitationnelle avec la répartition spatiale des galaxies est particulièrement pertinente. Ces analyses testent le modèle cosmologique de manière très exigeante. Les résultats utilisant la moitié des données DES ont déjà été publiés avec un grand succès, et les mesures finales, utilisant l'ensemble complet de données de plus de 150 millions de galaxies, devraient être publiées plus tard cette année.
"DES nous permet de comprendre pour la première fois si l'expansion accélérée de l'univers, qui a commencé il y a 6 milliards d'années, est cohérente avec notre modèle actuel sur l'origine de l'univers", commente Martin Crocce, qui coordonne cette dernière analyse. de GLACE.
Pour utiliser toutes ces techniques, le DES a construit la caméra à énergie noire de 570 mégapixels (DECam), l'une des caméras les plus grandes et les plus sensibles au monde. Il est installé sur le télescope Víctor M. Blanco, doté d'un miroir de 4 m de diamètre, à l'Observatoire interaméricain de Cerro Tololo au Chili, exploité par le NOIRLab de la NSF américaine.
DES a cartographié un huitième de la voûte céleste à une profondeur sans précédent. Il a fallu des images en 4 couleurs entre 2013 et 2019 et est actuellement en phase finale d’analyse scientifique de ces images. Les institutions espagnoles font partie du projet depuis sa création en 2005 et, en plus d'avoir collaboré de manière importante à la conception, à la fabrication, aux tests et à l'installation de DECam et à l'acquisition de données, elles ont jusqu'à présent d'importantes responsabilités dans la gestion scientifique du DES.
Fourni par le Laboratoire national de Brookhaven
