L'univers lance une balle courbe: le paradoxe de la distribution de la matière noire.

Figure 1: Un exemple d'image obtenue avec HSC-SSP. Crédit : projet HSC-SSP & NAOJ

Les astrophysiciens ont trouvé que la « granularité » de la matière sombre de l'Univers était de 0,76, une valeur en conflit avec la valeur de 0,83 du fond cosmique micro-ondes, indiquant des erreurs possibles ou un modèle cosmologique incomplet. La recherche a utilisé les données du programme stratégique Subaru Hyper Suprime-Cam et enquêtera davantage sur cette discordance intrigante.

Une équipe internationale d'astrophysiciens et de cosmologistes de différents instituts, notamment le NAOJ et l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'Univers, a soumis un ensemble de cinq articles, mesurant la valeur de la « granularité » de la matière sombre de l'Univers, connue des cosmologistes sous le nom de S8. La valeur rapportée est de 0,76, ce qui correspond aux valeurs que d'autres enquêtes de lentilles gravitationnelles ont trouvées en examinant l'Univers relativement récent, mais elle ne correspond pas à la valeur de 0,83 dérivée du fond cosmique micro-ondes, qui remonte à environ 380 000 ans. L'écart entre ces deux valeurs est faible, mais il ne semble pas être accidentel. Les possibilités sont qu'il y a une erreur ou une erreur non reconnue dans l'une de ces deux mesures ou que le modèle cosmologique standard est incomplet de manière intéressante.

Le modèle standard de notre Univers est défini par seulement quelques chiffres : le taux d'expansion de l'Univers, une mesure de la granularité de la matière sombre (S8), les contributions relatives des constituants de l'Univers (matière, matière sombre et énergie sombre), la densité globale de l'Univers et une quantité technique décrivant la manière dont la granularité de l'Univers à grande échelle se rapporte à celle à petite échelle. Les cosmologistes sont impatients de tester ce modèle en contraignant ces chiffres de diverses manières, comme en observant les fluctuations du fond cosmique micro-ondes, en modélisant l'histoire d'expansion de l'Univers ou en mesurant la granularité de l'Univers dans le passé relativement récent.

Figure 2: Un exemple de distribution 3D de matière sombre dérivée de HSC-SSP. Cette carte est obtenue en utilisant les données de la première année, mais l'étude actuelle a examiné une zone du ciel d'environ trois fois la taille. Crédit : Université de Tokyo/NAOJ

Une équipe dirigée par des astronomes de Kavli IPMU, de l'Université de Tokyo, de l'Université de Nagoya, de l'Université de Princeton et des communautés astronomiques du Japon et de Taiwan, a passé la dernière année à découvrir les secrets de la matière la plus insaisissable, la matière sombre, en utilisant des simulations informatiques sophistiquées et des données des trois premières années du programme stratégique Subaru Hyper Suprime-Cam (HSC-SSP). Le programme d'observation a utilisé l'un des appareils photo astronomiques les plus puissants au monde, Hyper Suprime-Cam (HSC), monté sur le télescope Subaru. Les données HSC-SSP que l'équipe de recherche a utilisées couvrent environ 420 degrés carrés du ciel, l'équivalent d'environ 2 000 pleines lunes.

Les amas de matière sombre déforment la lumière des galaxies lointaines par lentilles gravitationnelles faibles, un phénomène prédit par la théorie générale de la relativité d'Einstein. Cette déformation est un effet très faible ; la forme d'une seule galaxie est déformée par une quantité imperceptible. Mais l'équipe a mesuré la distorsion avec une grande précision en combinant les mesures de 25 millions de galaxies faibles qui sont à des milliards d'années-lumière de distance. Ensuite, l'équipe a mesuré la granularité de l'Univers aujourd'hui (Figure 3).

Figure3 : Les résultats de mesure du paramètre S8 à partir des données HSC-SSP de l'année 3. Le graphique montre les résultats de quatre méthodes différentes, qui ont utilisé différentes parties des données HSC-SSP de l'année 3 ou combiné les données HSC-SSP de l'année 3 avec d'autres données. Pour comparaison, « Planck CMB » montre le résultat de mesure pour S8 à partir des données de fond cosmique micro-ondes du satellite Planck. « Autres résultats de lentilles faibles » montre les résultats de mesures de lentilles faibles similaires basées sur les données de l'enquête d'énergie sombre (DES) et de l'enquête de kilo-degrés (KiDS). Crédit : Kavli IPMU

La discordance entre les valeurs S8 de HSC-SSP et du satellite Planck est très subtile. L'équipe pense que la mesure a été effectuée correctement et avec soin. Et les statistiques montrent qu'il n'y a qu'une probabilité sur 20 que la différence soit simplement due au hasard, ce qui est convaincant mais pas totalement définitif. L'équipe poursuivra cette incohérence intrigante en utilisant l'ensemble complet de données HSC-SSP et des méthodes affinées. L'équipe pourrait découvrir quelque chose de nouveau sur l'Univers, alors restez à l'écoute.

Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Mesurer la matière sombre avec Hyper Suprime-Cam révèle une discordance.

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Galaxy Clustering and Weak Lensing with HSC and SDSS using the Emulator Based Halo Model” by Hironao Miyatake, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Takahiro Nishimichi, Xiangchong Li, Masato Shirasaki, Surhud More, Yosuke Kobayashi, Atsushi J. Nishizawa, Markus M. Rau, Tianqing Zhang, Ryuichi Takahashi, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Ken Osato, Wentao Luo, Arun Kannawadi, Bau-Ching Hsieh, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Lauren A. MacArthur, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Tomomi Sunayama, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00704

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Measurements of Clustering of SDSS-BOSS Galaxies, Galaxy-Galaxy Lensing and Cosmic Shear” by Surhud More, Sunao Sugiyama, Hironao Miyatake, Markus Michael Rau, Masato Shirasaki, Xiangchong Li, Atsushi J. Nishizawa, Ken Osato, Tianqing Zhang, Masahiro Takada, Takashi Hamana, Ryuichi Takahashi, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Yosuke Kobayashi, Takahiro Nishimichi, Masamune Oguri, Arun Kannawadi, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00703

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Galaxy Clustering and Weak Lensing with HSC and SDSS using the Minimal Bias Model” by Sunao Sugiyama, Hironao Miyatake, Surhud More, Xiangchong Li, Masato Shirasaki, Masahiro Takada, Yosuke Kobayashi, Ryuichi Takahashi, Takahiro Nishimichi, Atsushi J. Nishizawa, Markus M. Rau, Tianqing Zhang, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Ken Osato, Arun Kannawadi, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00705

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Cosmic Shear Power Spectra” by Roohi Dalal, Xiangchong Li, Andrina Nicola, Joe Zuntz, Michael A. Strauss, Sunao Sugiyama, Tianqing Zhang, Markus M. Rau, Rachel Mandelbaum, Masahiro Takada, Surhud More, Hironao Miyatake, Arun Kannawadi, Masato Shirasaki, Takanori Taniguchi, Ryuichi Takahashi, Ken Osato, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Atsushi J. Nishizawa, Andrés A. Plazas Malagón, Tomomi Sunayama, David Alonso, Anže Slosar, Robert Armstrong, James Bosch, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Lauren A. MacArthur, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Takahiro Nishimichi, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka and Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00701

“Hyper Suprime-Cam Year 3 Results: Cosmology from Cosmic Shear Two-point Correlation Functions” by Xiangchong Li, Tianqing Zhang, Sunao Sugiyama, Roohi Dalal, Markus M. Rau, Rachel Mandelbaum, Masahiro Takada, Surhud More, Michael A. Strauss, Hironao Miyatake, Masato Shirasaki, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Wentao Luo, Atsushi J. Nishizawa, Ryuichi Takahashi, Andrina Nicola, Ken Osato, Arun Kannawadi, Tomomi Sunayama, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Takahiro Nishimichi, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka, Shiang-Yu Wang, 3 April 2023, Astrophysics > Cosmology and Nongalactic Astrophysics.arXiv:2304.00702

This research was supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (DGE-2039656); the National Astronomical Observatory of Japan; the Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe; the University of Tokyo; the High Energy Accelerator Research Organization (KEK); the Academia Sinica Institute for Astronomy and Astrophysics in Taiwan; Princeton University; the FIRST program from the Japanese Cabinet Office; the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT); the Japan Society for the Promotion of Science; the Japan Science and Technology Agency; the Toray Science Foundation; and the Vera C. Rubin Observatory.