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Posté par Michel le Jeudi 15/11/2012 à 12:00
Mesurer la décélération de l'expansion de l'Univers primitif
Des astrophysiciens du projet SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey), composé en grande partie de chercheurs français, ont effectué la première mesure du taux de l'expansion de l'Univers jeune, âgé de seulement trois milliards d'années, alors que la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) freinait encore son expansion, avant sa phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) actuelle d'expansion accélérée par l'Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) Noire. Ils ont utilisé pour cela une nouvelle technique permettant de dresser une carte en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) lointain. Ce résultat est en ligne sur arXiv.org.

Hubble et Lemaître ont mis en évidence l'expansion de l'Univers dans les années 1920 en procédant à deux types de mesures pour un même ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres...): la distance entre ces galaxies et nous, ainsi que la vitesse (On distingue :) de ces galaxies (en utilisant l'effet Doppler sur les raies de leurs spectres).

Leurs observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés....) sont à l'origine du modèle "standard" actuel de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.). Au début de l'histoire de l'Univers, cette expansion s'est ralentie continûment, sous l'effet de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) et de la radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...). Mais depuis cinq milliards d'années, ce comportement s'est inversé: l'expansion s'est mise à accélérer, sous l'effet d'une mystérieuse force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) répulsive produite par "l'énergie sombre (En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers et exerçant une pression négative se comportant comme une force gravitationnelle répulsive. L'énergie sombre pourrait expliquer...)". Des expériences en cosmologie ont permis d'observer cette période d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification affectant...) récente, mais jusqu'ici pas la décélération primitive de l'Univers. Réussir à mesurer cette décélération exige de remonter aux premiers milliards d'années de son histoire, de remonter loin dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), donc d'observer loin dans l'espace. Pour cela, des galaxies ne suffisent plus: à des distances aussi élevées, leur luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) devient trop faible.


Technique de mesure utilisée: la lumière de quasars distants (les points à gauche) est partiellement absorbée lorsqu'elle traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les...) des nuages d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) intergalactique (au centre). Ce phénomène crée une "forêt (Une forêt ou un massif forestier est une étendue boisée, relativement dense, constituée d'un ou plusieurs peuplements d'arbres et d'espèces associées. Un boisement...)" de raies d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le...), qui peut être interprétée pour créer une carte du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...).
Les points jaunes sont les quasars précédemment connus. Les points rouges sont les quasars découverts par BOSS. BOSS a collecté des spectres de dix fois plus de quasars que les précédents relevés.
© Zosia Rostomian et Nic Ross (Lawrence Berkeley National Laboratory) et la collaboration SDSS-III

Pour contourner le problème, les astrophysiciens du Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) (1) , composé notamment de chercheurs français, se sont donc intéressés aux quasars, des astres lointains et extrêmement brillants. Lorsqu'on mesure le spectre d'un quasar (En astronomie, un quasar (pour source de rayonnement quasi-stellaire, quasi-stellar en anglais) est une source d'énergie électromagnétique, incluant la lumière....), on voit non seulement sa lumière mais aussi l'absorption résiduelle du gaz intergalactique entre le quasar et nous. Les astrophysiciens ont pu ainsi étudier la distribution du gaz intergalactique et y détecter des nuages d'hydrogène, pour reproduire sur eux une expérience similaire à celle d'Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100...) et Lemaître sur les galaxies.

Pour appliquer efficacement cette technique de mesure innovante de SDSS-III, dite de la "forêt Lyman-alpha", encore fallait-il pouvoir disposer d'un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de quasars, et dresser ainsi une carte de l'univers lointain et en trois dimensions. C'est le groupe français de SDSS, en partie financé par l'ANR, qui s'est principalement spécialisé dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...), l'étude et la sélection des quasars à observer. Le premier catalogue de la collaboration a été publié mi-octobre et contient 89 000 quasars.

L'étude a porté ensuite sur 50 000 de ces quasars. Elle résulte principalement du travail de chercheurs du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu, CEA Saclay) et de l'Institut d'Astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles, planètes,...) de Paris (CNRS/UPMC), en collaboration avec le reste du groupe SDSS-France (le LAM (2), le CPPM (3) et l'Institut Utinam (4)) et l'ensemble de l'équipe SDSS-III.

Au delà de ce résultat important, SDSS-III va continuer à améliorer notre connaissance de l'énergie noire: à la fin du relevé, en 2014, il aura mesuré plus d'un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...) et demi de galaxies, et plus de 160 000 quasars. Il aura aussi permis de démontrer que la technique de mesure de la "forêt Lyman-alpha" n'est plus un pari (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de...) risqué, mais une méthode standard pour explorer l'Univers lointain.


Evolution du taux d'expansion de l'Univers au cours des dix derniers milliards d'années: les nombres en bas montrent le temps dans le passé, en milliards d'années. L'axe vertical montre le taux d'expansion de l'Univers. Les mesures utilisant des galaxies apparaissent comme des points à droite du graphe (Le mot graphe possède plusieurs significations. Il est notamment employé :). Jusqu'à présent, les cartes 3D par BOSS et d'autres relevés mesuraient la distribution des galaxies jusqu'à 5,5 milliards d'années dans le passé, à un moment où l'expansion de l'Univers s'accélérait déjà. La nouvelle mesure, le point (Graphie) à gauche, a maintenant sondé la structure de l'Univers lointain à un moment où l'expansion se ralentissait encore.
© Zosia Rostomian et Nic Ross (Lawrence Berkeley National Laboratory) et la collaboration SDSS-III


Notes:

(1) Consulter le site web (Un site Web est un ensemble de pages Web hyperliées entre elles et mises en ligne à une adresse Web. On dit aussi site Internet par métonymie, le...).

(2) Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université).

(3) Centre de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs...) de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université).

(4) Observatoire des Sciences de l'Univers THETA/Institut UTINAM (CNRS/Université de Franche-Comté).


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Source: CNRS