Les propriétés de l'énergie noire révélées sur 11 milliards d'années d'expansion de l'Univers

Publié par Redbran le 22/07/2020 à 09:00
Source: CEA IRFU
Le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) publie une analyse complète de la plus grande carte tridimensionnelle de l'Univers jamais créée, permettant de reconstruire l'histoire de son expansion sur une période de 11 milliards d'années.

"Avant eBOSS, on connaissait bien les 6 derniers milliards d'années de l'expansion de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.)" déclare Etienne Burtin (CEA-Irfu, Paris (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...) Saclay), qui a co-dirigé l'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens pouvant exister entre les...) dont les résultats sont annoncés aujourd'hui. "Désormais, ce sont plus de 11 milliards d'années de l'histoire de l'expansion qui vont nous permettre d'affiner notre connaissance de l'Univers". Les nouveaux résultats proviennent du programme "extended Baryonic Oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) Spectroscopic Survey" (eBOSS, P.I. Kyle Dawson, University of Utah), une collaboration internationale de plus de 100 astrophysiciens qui est l'un des grands programmes d'observation (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. Le plaisir procuré explique la très grande participation...) composant le SDSS.

"Les laboratoires français ont pris une part majeure à la conception et à l'analyse des différentes parties du programme eBOSS", précise Christophe Yèche (CEA-Irfu, Paris Saclay), "et l'ANR et les différentes agences de financement ont apporté un soutien important". La moisson de nouveaux résultats comporte les mesures détaillées de plus de deux millions 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 Galaxie, cette fois au...) et quasars, ainsi que des milliers de vides cosmiques, couvrant les 11 derniers milliards d'années.


La carte mesurée par SDSS fait apparaître (en couleur) les différents objets astrophysiques utilisés pour accéder à différentes époques de l'évolution de l'Univers. Nous sommes situés au centre de cette carte et observer des objets lointains équivaut à observer l'Univers tel qu'il était dans le passé. Les vignettes à droite de la carte montrent le motif caractéristique observé dans la répartition des galaxies. La position de ce motif mesurée à différentes époques a été corrigée de l'expansion de l'Univers et donc apparaît à la même valeur dans toutes les vignettes.Crédit: Anand Raichoor (EPFL) and SDSS.

L'Univers à ses débuts nous est connu grâce à l'étude du fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.) et aux mesures des abondances relatives d'éléments chimiques primordiaux créés peu après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que...). Nous connaissons également l'histoire de son expansion au cours des derniers milliards d'années grâce aux cartes tridimensionnelles de galaxies et aux mesures de distance, y compris celles des phases précédentes du SDSS. Ces études nous permettent de relier toutes ces mesures en une histoire complète de l'expansion de l'Univers.

La carte finale est présentée dans l'image ci-jointe. Son examen attentif révèle les filaments et les vides qui définissent la structure de l'Univers, à partir de l'époque où l'Univers n'avait environ que 300 000 ans. À partir de cette carte, les chercheurs recherchent des motifs dans la distribution des galaxies. En particulier, à cause du phénomène d'"Oscillations Acoustiques Baryoniques" qui a eu lieu dans l'Univers primordial, la répartition de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) n'est pas aléatoire et les galaxies sont séparées en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble...) par une distance caractéristique. Les signatures de ces motifs à différentes époques de l'histoire de l'Univers sont présentées dans les encadrés de l'image ci-jointe et permettent de mesurer plusieurs paramètres clés de notre Univers avec une précision meilleure qu'un pour cent.

Cette carte représente l'effort combiné de plus de 20 ans de cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données...) de l'Univers à l'aide du télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité...) de la Fondation Sloan (Nouveau-Mexique, USA). La structure cosmique révélée sur cette carte montre qu'il y a environ six milliards d'années, l'expansion de l'Univers a commencé à s'accélérer, et qu'elle a continué à s'accélérer depuis. Cette expansion accélérée semble être due à une mystérieuse composante invisible de l'Univers appelée "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", conforme à la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) générale de la relativité d'Einstein mais extrêmement difficile à concilier avec notre compréhension actuelle de la 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 interactions. On...).


La sphère colorée represente la carte du fond diffus cosmologique et les différentes parties du relevé SDSS sont représentés par les volumes de differentes couleurs (en cliquant sur les nombres vous obtiendrez le type d'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés...) utilisé pour chaque composante du relevé et des informations supplémentaires). Credits: Cheng Zhao et Anand Raichoor (EPFL et SDSS)


Cette image illustre l'impact que les cartes de SDSS (incluant celles d'eBOSS) ont eu au cours des 20 dernières années sur notre compréhension du taux d'expansion et de la courbure actuels de l'Univers. La région grise montre l'état de nos connaissances il y a 10 ans, avant le démarrage de SDSS. La région bleue montre la meilleure mesure actuelle, qui combine SDSS et d'autres programmes. La taille décroissante des régions colorées est due à l'amélioration de la précision de mesure. L'apport de SDSS par rapport à la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il...) de 2010 est indiquée par la région rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) et montre l'impact majeur de ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement,...).

Les mesures de la courbure de l'Univers sont indiquées sur l'axe horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou vice...). Les résultats de SDSS, qui s'affinent autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans...), suggèrent que l'Univers est plat, et améliorent considérablement les contraintes d'autres expériences. L'axe vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) montre le taux d'expansion actuel de l'Univers (la constante de Hubble). Les mesures de la constante de 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...) de SDSS ainsi que d'autres études de l'Univers lointain ne concordent pas avec les mesures basées sur les galaxies de l'Univers proche, qui trouvent une valeur d'environ 74 dans ces unités, contre 68 pour le SDSS. C'est grâce aux données précises de SDSS ainsi que des autres expériences de la dernière décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.) qu'il a été possible de révéler cette divergence. Crédit: Eva-Maria Mueller (Oxford) et SDSS.

Les données d'eBOSS sont si précises et couvrent un si grand intervalle de temps cosmique (En cosmologie, le temps cosmique désigne une quantité qui intervient dans un modèle cosmologique homogène et isotrope.) qu'elles sont un ingrédient incontournable pour mesurer de nombreuses propriétés fondamentales de l'Univers, comme sa courbure géométrique ou les propriétés de l'énergie noire. En les combinant avec les données du fond diffus cosmologique et des supernovae, ces données indiquent un Univers sans courbure et une énergie noire de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) constante.

La combinaison (Une combinaison peut être :) des observations d'eBOSS et des études du fonds diffus cosmologique révèle aussi des tensions dans notre vision de l'Univers. Ainsi, la mesure du taux d'expansion actuel de l'Univers (la "constante de Hubble") effectuée par l'équipe eBOSS est inférieure d'environ 10 % à la valeur trouvée à partir de distances aux galaxies proches. Vu la grande précision des données d'eBOSS, il est très peu probable que cette différence soit due au hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.), d'autant que la riche variété des objets astrophysiques mesurés par eBOSS donne de multiples moyens indépendants de tirer la même conclusion. "Les résultats de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) complet de SDSS renforcent le désaccord avec la valeur de la constante de Hubble mesurée dans l'Univers proche" précise Vanina Ruhlmann-Kleider (CEA-Irfu, Paris Saclay). Il n'y a pas d'explication largement acceptée pour cette différence entre les mesures du taux d'expansion, mais une possibilité intéressante est qu'une forme de matière ou d'énergie inconnue jusqu'alors, provenant de l'Univers primitif, ait pu laisser une trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie...) dans son histoire ultérieure.

Au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas...), l'équipe eBOSS a rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des...) publics aujourd'hui les résultats de plus de 20 articles scientifiques. Ces articles décrivent, en plus de 500 pages, les analyses réalisées sur les dernières données d'eBOSS, marquant ainsi l'achèvement des principaux objectifs du programme de 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...) entrepris il y a une dizaine d'années.

Au sein de l'équipe eBOSS, des groupes individuels dans des universités du monde (Le mot monde peut désigner :) entier se sont concentrés sur différents aspects de l'analyse. Pour créer la partie de la carte qui remonte à six milliards d'années, l'équipe a utilisé de grandes galaxies rouges. "Les galaxies rouges forment l'échantillon le plus fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles grecques...) de SDSS et apportent ainsi les mesures les plus précises" précise Romain Paviot, doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable selon...) au LAM (CNRS INSU/IN2P3 et Aix-Marseille Université). Pour remonter plus loin dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), eBOSS a exploité, pour la première fois dans SDSS, des galaxies bleues plus jeunes et formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur...) des étoiles. Enfin, pour cartographier l'Univers encore plus lointain, ils ont mis à profit des quasars, galaxies lumineuses éclairées par de la matière tombant sur un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception...) central supermassif. "C'est l'étude des positions des quasars et des nuages d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) neutre qui en absorbent la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde...) qui permet de sonder l'Univers à 11 milliards d'années et plus" explique Christophe Balland, responsable de l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) eBOSS au LPNHE (CNRS/IN2P3, Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de Sorbonne, collège dédié à la...) Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) et Université de Paris). Chacun de ces échantillons a nécessité une analyse minutieuse afin d'éliminer les contaminants et de révéler les caractéristiques de l'Univers. "Nous avons mis en place des méthodes fondées sur des simulations d'Univers pour nous assurer que les procédures d'analyse fournissent des résultats non biaisés", ajoute Alex Smith post-doctorant au CEA-Irfu.

eBOSS, et plus généralement le SDSS, laisse en héritage aux projets futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) l'énigme de l'énergie noire et l'écart entre les différentes mesures du taux d'expansion de l'Univers. Au cours de la prochaine décennie, les futurs programmes d'observation (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. Le plaisir...) dans lesquels la France est fortement engagée, tels DESI, Euclid et LSST, pourraient résoudre l'énigme, ou peut-être révéler d'autres surprises.


Contacts: Etienne Burtin, Vanina Ruhlmann-Kleider
Cet article vous a plus ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 0.295 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique