La collaboration "Sloan Digital Sky Survey" (SDSS-III) a publié le 30 mars 2012 la mesure la plus précise jamais réalisée de la distance nous séparant des galaxies dans l'Univers profond, obtenant ainsi des informations inédites sur l'époque à laquelle l'Univers a commencé l'accélération de son expansion. Ces résultats, annoncés aujourd'hui dans une série de six articles postés sur le site de preprints arXiv, sont l'aboutissement de plus de deux années de travail de l'équipe de chercheurs et d'ingénieurs de Boss (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), l'un des quatre projets de SDSS-III, auquel participent six laboratoires français du CNRS et du CEA.
L’accélération de l’expansion de l’Univers, dont la découverte a été récompensée par le prix Nobel de physique en 2011, semble résulter de l'effet d'une forme d'énergie inconnue, baptisée "énergie sombre" pour souligner l'incompréhension des scientifiques quant à sa nature. Autre explication possible : la théorie de la Relativité générale d'Albert Einstein ne fonctionne pas aux plus grandes échelles, lorsque l'attraction gravitationnelle semble laisser place à la répulsion gravitationnelle.
Energie sombre ou gravité modifiée ? Pour y répondre, la première étape est de mesurer avec précision la distance qui nous sépare du plus grand nombre de galaxies possibles, et retracer ainsi l'histoire de l'expansion de l'Univers.
Variations de la densité de matière dans l'Univers
Tel est l’enjeu de Boss qui a démarré sa prise de données en septembre 2009, utilisant un spectrographe spécifiquement conçu placé sur le télescope de 2,5 mètres de diamètre de Apache Point Observatory au Nouveau Mexique (États-Unis). Les cartes, analysées dans les articles publiées aujourd'hui, exploitent les 18 premiers mois d'observations de Boss et contiennent plus de 250 000 galaxies. Boss poursuivra sa prise de données jusqu'en 2014 afin d'obtenir plus d'un million de galaxies.
Les cartes de l'Univers, telles celles de Boss, montrent que les galaxies et les amas de galaxies se regroupent sous la forme de murs et de filaments séparés par d'immenses zones vides. Ces structures se sont formées à partir de minuscules variations de la densité dans l'Univers primordial, portant l'empreinte des "oscillations acoustiques de baryons" (BAO), des ondes de pression (acoustiques) qui se sont propagées dans l'Univers primordial.
Des milliards d'années plus tard, l'écho de ces BAO peut encore être retrouvé dans l'Univers. En raison de la régularité de l'espacement initial des BAO, il y a une plus forte probabilité de trouver aujourd'hui deux galaxies séparées de 500 millions d'années-lumière que 400 ou 600 millions.
Le télescope de 2,5m SDSS
Sur un graphe du nombre de paires de galaxies en fonction de leur distance relative, cette échelle de distance magique de 500 millions d'années-lumière apparaît comme un pic, c'est pourquoi les astronomes parlent souvent de "pic BAO". La distance correspondant à celle du pic dépend des paramètres de notre Univers, en particulier de la quantité d'énergie sombre. Mais cette mesure de l'énergie sombre repose sur l’exactitude de la mesure des distances des galaxies. Ce n'est que si les distances sont mesurées correctement que le pic est observé à l'échelle de distance où la théorie prévoit qu'il doit être.
Or Boss a permis de détecter le pic BAO plus clairement que jamais. La combinaison des résultats antérieurs de SDSS avec ces nouvelles mesures pour des galaxies plus lointaines a permis d’obtenir une carte de l'histoire de l'expansion de l'Univers au cours des six derniers milliards d'années avec une précision inégalée.
En plus de fournir des mesures de distances de précision inégalées, les données de Boss permettent aussi de tester la Relativité générale de manière très sensible. Puisque la gravité est attractive, les galaxies tombent vers le centre des amas. La Relativité générale prédit exactement avec quelle vitesse elles devraient tomber. Après prise en compte des effets de l'énergie sombre, les chercheurs de Boss ont confirmé que la vitesse de chute des galaxies dans les amas est conforme aux prédictions d'Einstein. Les physiciens savaient déjà que les prédictions de la Relativité générale sont extrêmement correctes pour des distances au sein de notre système solaire, ils peuvent désormais dire qu'elles le sont encore pour des distances de 100 millions d'années-lumière.
Les cartes de Boss fournissent aussi les meilleures contraintes à ce jour sur la courbure de l'Univers. Einstein avait suggéré que l'espace tridimensionnel pourrait être courbe, à l'instar de la surface d'une sphère. Mais Boss démontre que ce n'est pas le cas - l'Univers est encore plus plat qu'une crêpe !
Tous ces résultats n'en sont qu'à leur début. Depuis treize ans, la constante cosmologique est l'explication la plus simple à des observations très limitées de l'énergie sombre. En réalité, la constante cosmologique en elle-même n'a jamais été testée. Elle est simplement compatible avec les données, mais les chercheurs ne disposent encore que de peu de données et commencent tout juste à explorer.
