Les chercheurs utilisent l'Instrument de Spectroscopie de l'Énergie Sombre pour créer la plus grande carte 3D de notre univers

4 avril 2024

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par Lawrence Berkeley National Laboratory

Avec 5 000 minuscules robots dans un télescope en haut d'une montagne, les chercheurs peuvent regarder 11 milliards d'années dans le passé. La lumière d'objets lointains dans l'espace atteint à peine l'Instrument de Spectroscopie de l'Énergie Sombre (DESI), nous permettant de cartographier notre cosmos tel qu'il était dans sa jeunesse et de retracer sa croissance jusqu'à ce que nous voyons aujourd'hui.

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

Pour étudier les effets de l'énergie sombre au cours des 11 derniers milliards d'années, le 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 les scientifiques ont mesuré l'histoire de l'expansion de l'univers jeune avec une précision supérieure à 1%, nous donnant notre meilleure vue à ce jour de l'évolution de l'univers.

Des chercheurs ont partagé l'analyse de leurs premières données collectées pendant un an dans plusieurs articles qui seront publiés aujourd'hui sur le serveur de pré-impression arXiv et dans des présentations lors de la réunion de l'American Physical Society aux États-Unis et des Rencontres de Moriond en Italie.

'Nous sommes incroyablement fiers des données qui ont produit des résultats cosmologiques de premier ordre et sont les premières à sortir de la nouvelle génération d'expériences sur l'énergie sombre', a déclaré Michael Levi, directeur du DESI et scientifique au Département de l'Energie's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), qui gère le projet.

'Jusqu'à présent, nous constatons un accord de base avec notre meilleur modèle de l'univers, mais nous voyons également certaines différences potentiellement intéressantes qui pourraient indiquer que l'énergie sombre évolue avec le temps. Celles-ci peuvent ou non disparaître avec plus de données, nous sommes donc impatients de commencer à analyser notre jeu de données de trois ans prochainement.'

Notre principal modèle de l'univers est connu sous le nom de Lambda CDM. Il inclut à la fois un type de matière faiblement interagissant (matière noire froide, ou CDM) et de l'énergie noire (Lambda). La matière et l'énergie noire façonnenbt comment l'univers s'étend — mais de manières opposées. La matière et la matière noire ralentissent l'expansion, tandis que l'énergie noire l'accélère. La quantité de chacun influence comment notre univers évolue. Ce modèle décrit bien les résultats des expériences précédentes et l'apparence de l'univers à travers le temps.

Cependant, lorsque les résultats de la première année du DESI sont combinés avec les données d'autres études, il existe des différences subtiles avec ce que Lambda CDM prédit. Au fur et à mesure que le DESI recueille plus d'informations lors de son enquête de cinq ans, ces premiers résultats deviendront plus précis, mettant en lumière si les données pointent vers différentes explications pour les résultats que nous observons ou la nécessité de mettre à jour notre modèle.

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

'Aucune expérience spectroscopique n'a jamais eu autant de données auparavant, et nous continuons à recueillir des données sur plus d'un million de galaxies chaque mois', a déclaré Nathalie Palanque-Delabrouille, une 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 de temps cosmique, chacune avec une précision de 1 à 3%. L'équipe a fait un travail formidable pour tenir compte des complexités de l'instrumentation et de la modélisation théorique, ce qui nous donne confiance en 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, le DESI est devenu deux fois plus puissant pour mesurer l'histoire de l'expansion à ces premiers moments que son prédécesseur (le Sloan Digital Sky Survey's BOSS/eBOSS), qui a pris plus d'une décennie.

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

Le DESI est une collaboration internationale de plus de 900 chercheurs de plus de 70 institutions à travers le monde. L'instrument est installé au sommet du télescope Nicholas U. Mayall de 4 mètres de la National Science Foundation américaine 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 filaments de galaxies regroupées ensemble, séparés par des vides avec moins d'objets. Notre univers très primitif, bien au-delà de la vue de DESI, était tout à fait différent : une soupe chaude et dense de particules subatomiques se déplaçant trop vite pour former de la matière stable comme les atomes que nous connaissons aujourd'hui. Parmi ces particules se trouvaient des noyaux d'hydrogène et d'hélium, appelés collectivement 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. Au fur et à mesure que l'univers s'élargissait et se refroidissait, des atomes neutres se sont formés et les ondes de pression se sont arrêtées, figeant les ondulations en trois dimensions et augmentant le regroupement de futures galaxies dans les zones denses.

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

Les chercheurs utilisent les mesures BAO comme une règle cosmique. En mesurant la taille apparente de ces bulles, ils peuvent déterminer les distances à la matière responsable de ce motif extrêmement faible dans le ciel. La cartographie des bulles BAO, à proximité et au loin, permet aux chercheurs de diviser les données en morceaux, en mesurant à quelle vitesse l'univers s'est dilaté à chaque moment de son passé et en modélisant comment l'énergie sombre affecte cette expansion.

'Nous avons mesuré l'histoire de l'expansion sur cette énorme plage de temps cosmique avec une précision qui dépasse toutes les précédentes études BAO combinées', a déclaré Hee-Jong Seo, professeur à l'Université de l'Ohio et co-leader de l'analyse BAO de DESI. 'Nous sommes très impatients de savoir comment ces nouvelles mesures vont améliorer et modifier notre compréhension de l'univers. Les hommes ont une fascination intemporelle pour notre univers, cherchant à savoir de quoi il est fait et ce qui lui arrivera.'

Utiliser des galaxies pour mesurer l'histoire de l'expansion et mieux comprendre l'énergie sombre est une technique, mais elle ne peut aller que jusqu'à un certain point. À un certain moment, la lumière des galaxies typiques est trop faible, les chercheurs se tournent donc vers les quasars, des noyaux galactiques extrêmement lointains et lumineux avec des trous noirs en leur centre. La lumière des quasars est absorbée lorsqu'elle traverse les nuages intergalactiques de gaz, 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 d'utilisation de la "forêt de Lyman-alpha".

'Nous utilisons les quasars comme un rétro-éclairage pour voir essentiellement l'ombre du gaz intervenant entre les quasars et nous', a déclaré Andreu Font-Ribera, scientifique à l'Institut de physique des hautes énergies (IFAE) en Espagne qui co-dirige l'analyse de la forêt de Lyman-alpha de DESI. 'Cela nous permet de regarder plus loin, lorsque l'univers était très jeune. C'est une mesure vraiment difficile à réaliser, et très cool de la voir réussir.'

Les chercheurs ont utilisé 450 000 quasars, le plus grand ensemble jamais collecté pour ces mesures de forêt de Lyman-alpha, pour étendre leurs mesures BAO jusqu'à 11 milliards d'années dans le passé. À 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 aveugle', qui cache le vrai résultat aux scientifiques pour éviter tout biais de confirmation inconscient. Les chercheurs travaillent dans l'obscurité avec des données modifiées, en écrivant le code pour analyser leurs résultats. Une fois que tout est finalisé, ils appliquent leur analyse aux données originales pour révéler la réponse réelle.

'La façon dont nous avons fait l'analyse nous donne confiance dans nos résultats, et notamment dans le fait que la forêt de Lyman-alpha est un outil puissant pour mesurer l'expansion de l'univers', a déclaré Julien Guy, scientifique au Berkeley Lab et co-responsable du traitement des informations provenant des spectrographes de DESI.

'L'ensemble de données que nous collectons est exceptionnel, tout comme le rythme auquel nous le collectons. C'est la mesure la plus précise que j'ai jamais faite de ma vie.'

Les données de DESI seront utilisées pour compléter les futures enquêtes célestes telles que l'Observatoire Vera C. Rubin et le télescope spatial Nancy Grace Roman, et pour préparer une éventuelle mise à niveau de DESI (DESI-II) qui a été recommandée dans un récent rapport du U.S. Particle Physics Project Prioritization Panel.

'Nous sommes dans l'âge d'or de la cosmologie, avec des enquêtes à grande échelle en cours et sur le point de commencer, 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 la Commission française pour les énergies alternatives et l'énergie atomique (CEA) et co-responsable du groupe DESI qui interprète les données cosmologiques.

'Nous sommes tous vraiment motivés pour voir si les nouvelles données confirmeront les caractéristiques que nous avons vues dans notre échantillon de première année et construiront une meilleure compréhension de la dynamique de notre univers.'

Provided by Lawrence Berkeley National Laboratory