Démêler l'Origine de l'Univers - Les chercheurs analysent plus d'un million de galaxies pour apporter un nouvel éclairage.

Les chercheurs ont procédé à un examen approfondi de plus d'un million de galaxies pour se plonger dans les origines de la composition du cosmos, dévoilant des arrangements visibles dans les formes des galaxies sur des distances considérables. Cette étude, qui a utilisé de nouvelles stratégies et corroboré des facettes de la théorie de l’inflation, représente un progrès substantiel dans la compréhension de la formation de l’univers.

Un groupe de scientifiques a méticuleusement analysé plus d'un million de galaxies, dans le but de découvrir les débuts des structures cosmiques modernes, selon un article récemment publié présenté comme suggestion de l'éditeur dans Physical Review D.

Jusqu’à présent, des recherches et des évaluations scrupuleuses du fond diffus cosmologique (CMB) et de la structure à grande échelle (LSS) ont conduit à la création du modèle standard de l’univers, communément appelé modèle ΛCDM. Dans ce modèle, la matière noire froide (MDP) et l’énergie noire (la constante cosmologique, Λ) sont des attributs clés.

Une image dérivée de l'observation de la structure à grande échelle de l'univers présente de nombreux objets colorés du jaune au rouge qui représentent des galaxies situées à des centaines de millions d'années-lumière de la Terre. Ces galaxies présentent une grande variété d’attributs et sont trop innombrables dans l’immensité de l’espace pour être quantifiées. La configuration et la disposition spatiale de ces galaxies ne sont pas aléatoires, mais contiennent plutôt des « corrélations » qui découlent des attributs statistiques des fluctuations primordiales initiales anticipées par l’inflation.

Le modèle postule que des fluctuations primordiales ont été créées dans les premiers stades de l'univers et ont fonctionné comme des catalyseurs, déclenchant la création de tout ce qui se trouve dans l'univers, y compris les étoiles, les galaxies, les amas de galaxies et leur dispersion spatiale dans l'espace. Ces variations sont minuscules mais évoluent avec le temps en raison de l’attraction gravitationnelle, pour finalement créer une région dense de matière noire ou un halo. Ensuite, ces halos se sont continuellement affrontés et fusionnés, ce qui a conduit à la création d’entités célestes telles que les galaxies.

Les caractéristiques de la disposition spatiale des galaxies sont largement façonnées par les propriétés des fluctuations primaires originales qui ont induit leur création. En tant que telle, l’analyse statistique des distributions des galaxies a été largement utilisée pour inspecter les fluctuations primitives sous-jacentes observables dans la nature. De plus, la configuration spatiale des formes galactiques s’étendant sur de vastes zones de l’univers révèle également les caractéristiques des fluctuations primaires intrinsèques.

L'approche conventionnelle de l'analyse des structures à grande échelle s'est uniquement concentrée sur la dispersion spatiale des galaxies sous forme de points. Plus récemment, cependant, la communauté scientifique a commencé à explorer les formes des galaxies, car elles fournissent non seulement des informations supplémentaires, mais offrent également une nouvelle perspective sur les attributs des fluctuations primitives.

Un examen de la manière dont les fluctuations primordiales distinctes de l’univers contribuent aux différentes dispositions spatiales de la matière noire a été visualisé. La figure centrale affiche les fluctuations de la distribution gaussienne standard, avec des variations de couleur allant du bleu au jaune représentant la valeur de la fluctuation audit endroit, des zones de faible à haute densité. D'autres figures montrent de légers écarts par rapport à la distribution gaussienne, appelés non gaussiens. Ces images démontrent une non-gaussianité isotrope et anisotrope et peuvent être utilisées dans la recherche de non-gaussianité anisotrope à partir de la configuration spatiale des formes des galaxies.

Un groupe de scientifiques dirigé par Toshiki Kurita, alors étudiant diplômé de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (Kavli IPMU) (maintenant chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck d'astrophysique), et le professeur Masahiro Takada de l'IPMU Kavli ont conçu un méthode pour quantifier le spectre de puissance des formes de galaxies. Cette stratégie extrait des données statistiques clés des configurations de forme de galaxie en intégrant les données spectroscopiques de la distribution spatiale des galaxies avec les données d'imagerie des formes de galaxies individuelles.

Les chercheurs ont analysé simultanément la distribution spatiale et la forme d’environ un million de galaxies à partir du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), la plus grande étude de galaxies au monde à ce jour.

En conséquence, ils ont réussi à limiter les propriétés statistiques des fluctuations primordiales qui ont semé la formation de la structure de l’univers entier.

Les points bleus et les barres d'erreur sont les valeurs du spectre de puissance de la forme de la galaxie. L'axe vertical correspond à la force de corrélation entre deux formes de galaxies, c'est-à-dire l'alignement des orientations des formes de galaxies. L'axe horizontal représente la distance entre deux galaxies, l'axe gauche (droit) représentant la corrélation entre les galaxies les plus éloignées (plus proches). Les points gris indiquent des corrélations apparentes non physiques. Le fait que cette valeur soit nulle à l’erreur près, comme prévu, confirme que les points bleus mesurés sont bien des signaux d’origine astrophysique. La courbe noire est la courbe théorique du modèle inflationniste le plus standard, et elle s’avère en bon accord avec les points de données réels. Crédit : Kurita & Takada

Ils ont découvert un alignement statistiquement significatif des orientations des formes de deux galaxies distantes de plus de 100 millions d’années-lumière. Leurs résultats ont montré qu’il existe des corrélations entre des galaxies lointaines dont les processus de formation sont apparemment indépendants et sans lien causal.

« Dans cette recherche, nous avons pu imposer des contraintes sur les propriétés des fluctuations primordiales grâce à l’analyse statistique des « formes » de nombreuses galaxies obtenues à partir des données de structure à grande échelle. Il existe peu de précédents de recherches utilisant les formes des galaxies pour explorer la physique de l'univers primitif, et le processus de recherche, depuis la construction de l'idée et le développement de méthodes d'analyse jusqu'à l'analyse des données proprement dite, a été une série d'essais et d'erreurs. À cause de cela, j’ai dû faire face à de nombreux défis. Mais je suis heureux d’avoir pu les accomplir au cours de mon programme de doctorat. Je crois que cette réalisation sera la première étape pour ouvrir un nouveau domaine de recherche en cosmologie utilisant les formes des galaxies », a déclaré Kurita.

De plus, une étude détaillée de ces corrélations a confirmé qu’elles sont cohérentes avec les corrélations prédites par l’inflation et ne présentent pas de caractéristique non gaussienne de la fluctuation primordiale.

« Cette recherche est le résultat de la thèse de doctorat de Toshiki. Il s’agit d’une merveilleuse réalisation de recherche dans laquelle nous avons développé une méthode pour valider un modèle cosmologique utilisant les formes et les distributions des galaxies, l’avons appliquée aux données, puis testé la physique de l’inflation. C'était un sujet de recherche que personne n'avait jamais abordé auparavant, mais il a suivi les trois étapes : théorie, mesure et application. Toutes nos félicitations! Je suis très fier du fait que nous ayons pu franchir les trois étapes. Malheureusement, je n’ai pas fait la grande découverte de détecter une nouvelle physique de l’inflation, mais nous avons tracé la voie pour de futures recherches. Nous pouvons nous attendre à ouvrir de nouveaux domaines de recherche grâce au spectrographe Subaru Prime Focus », a déclaré Takada.

Les méthodes et les résultats de cette étude permettront aux chercheurs du futur de tester davantage la théorie de l’inflation.