Modèle d'univers en constante expansion confirmé par une sonde d'énergie sombre

Titre : Le modèle de l'univers en expansion confirmé par une sonde d'énergie noire

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La théorie cosmologique standard, qui stipule que 95% de l'univers est composé d'une énergie inconnue que nous ne pouvons pas voir, a passé son test le plus rigoureux à ce jour. Les premiers résultats publiés par un instrument conçu pour étudier les effets cosmiques de cette mystérieuse énergie noire confirment que, dans une marge d'erreur de 1%, l'univers a évolué au cours des 11 derniers milliards d'années exactement comme l'avaient prédit les théoriciens.

Les résultats, présentés aujourd'hui lors d'une série de conférences à la réunion de la Société américaine de physique à Sacramento, en Californie, ainsi qu'à la réunion de Moriond en Italie, ainsi que dans une série de pré-impressions publiées sur arXiv, émanent de l'Instrument de spectroscopie de l'énergie noire (DESI), qui a enregistré plus de 6 millions de galaxies dans l'espace profond pour établir la plus grande carte 3D de l'univers à ce jour.

"C'est un instrument formidable et un résultat majeur", déclare Eric Gawiser, cosmologue à l'Université Rutgers, qui n'a pas participé au travail. "L'univers que DESI trouve est très raisonnable, avec des indices alléchants d'un univers plus intéressant."

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Assemblé il y a environ 25 ans pour concilier des observations contradictoires, le modèle cosmologique standard s'est avéré remarquablement résistant. Les chercheurs des années 1990 s'attendaient à trouver un univers ralentissant sous l'effet de la gravité de la matière visible ainsi que de la matière noire froide (CDM) invisible. Au lieu de cela, ils ont découvert des preuves que l'expansion de l'univers s'accélérait. La réponse la plus simple à cette "énergie noire" était que l'espace vide est imprégné d'une énergie fixe, ce qui lui donne une élasticité qui pousse la matière loin de celle-ci. Les théoriciens pouvaient rendre compte de cette force en ajoutant une constante cosmologique, lambda, à la théorie de la gravité d'Albert Einstein.

Mais de nombreux théoriciens trouvent ce modèle lambda-CDM insatisfaisant car il n'explique pas pourquoi l'espace vide devrait avoir une énergie particulière ou pourquoi il y a de l'énergie dans l'espace vide en premier lieu. Ainsi, les chercheurs ont mis au point une série d'instruments de haut niveau dans l'espace et au sol pour mesurer à quelle vitesse l'univers s'éloigne. L'objectif est de voir si la constante cosmologique est réellement constante dans l'histoire. Si ce n'est pas le cas, cela pourrait ouvrir la porte à d'autres théories cosmologiques.

L'une des méthodes les plus puissantes pour mesurer l'expansion consiste à utiliser la distribution des galaxies. À grande échelle, les galaxies ne sont pas réparties uniformément, mais ont plutôt tendance à s'agglomérer en amas. C'est un artefact du temps juste après le Big Bang il y a 13,8 milliards d'années, lorsqu'il n'y avait pas de galaxies ni même d'étoiles, juste un gaz bouillonnant de particules, y compris des noyaux d'hydrogène et d'hélium - des types de particules appelées baryons.

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Des ondes sonores ont résonné dans le gaz comme des vagues dans un étang, faisant en sorte que les baryons s'agglomèrent, formant les graines des futures galaxies et amas de galaxies. Au fur et à mesure que le gaz refroidissait, les ondes - les oscillations acoustiques baryoniques (BAOs) - se sont figées sous la forme d'une distance caractéristique dans la distribution de la matière. Aujourd'hui, cette distance est préservée sous la forme d'une tendance des galaxies à être séparées par 490 millions d'années-lumière. La question pour les théoriciens est de savoir si la croissance de ce mètre cosmique a été stable, conformément à une constante cosmologique, ou si l'accélération varie dans le temps.

Les enquêtes sur les galaxies antérieures ont ancré l'énergie noire à une valeur stable avec une précision croissante, mais avec des télescopes relativement petits, elles ne pouvaient voir aussi loin. DESI a été conçu pour faire un pas de plus : enregistrer plus de galaxies et regarder plus loin dans le temps sur 11 milliards d'années - 80% de l'histoire de l'univers. Il utilise un télescope de 4 mètres existant sur Kitt Peak en Arizona, rétrofité avec un spectroscope qui collecte la lumière auprès de 5000 galaxies à la fois. De minuscules bras robotiques positionnent les extrémités de 5000 fibres optiques pour correspondre aux emplacements des galaxies sur le plan focal du télescope, et les repositionnent rapidement lorsque le télescope se déplace vers différentes parties du ciel. En séparant la lumière de chaque galaxie en un spectre, les chercheurs peuvent mieux mesurer sa distance.

L'instrument peut détecter des galaxies aussi loin qu'il y a plus de 9 milliards d'années. Au-delà de cela, l'équipe a dépendu de plus de 700 000 quasars, les cœurs lumineux et gloutons des galaxies avec des trous noirs supermassifs voraces. Il n'y a pas assez de quasars pour obtenir une bonne prise sur la jauge BAO en traçant leurs positions, alors à la place, l'équipe DESI les a utilisés comme éclairages. Comme la lumière du quasar traverse des nuages de gaz d'hydrogène entre les galaxies, elle crée une série de lignes d'absorption connues sous le nom de forêt Lyman-alpha. La position de chaque ligne dans le spectre donne aux chercheurs une poignée sur la distance à laquelle se trouvent les nuages de gaz. Le signal BAO peut être calculé à partir de la distribution de ces nuages.

DESI a commencé à cartographier les galaxies et les quasars en 2019 et dans le nouveau travail, la collaboration de 900 personnes décrit les résultats de sa première année de collecte de données. Pris isolément, les résultats de DESI montrent que l'univers a grandi conformément à lambda-CDM à une précision supérieure à 1 %. Le co-porte-parole Kyle Dawson de l'Université de l'Utah déclare qu'il est "ravi" que DESI ait pu améliorer considérablement la précision de toutes les enquêtes antérieures avec seulement 1 an de données.

Lorsqu'ils sont combinés avec des ensembles de données d'autres instruments, tels que le satellite Planck de l'Europe, les données DESI offrent un indice tentant selon lequel l'accélération due à l'énergie noire peut varier légèrement dans l'histoire cosmique - en d'autres termes, que la constante cosmologique n'est pas absolument constante. Ce décalage n'est pas statistiquement significatif pour que les chercheurs puissent affirmer avec certitude que lambda-CDM est faux - il peut disparaître à mesure que DESI collecte plus de données - mais il donne de la nourriture pour la pensée aux théoriciens. "C'est un défi à comprendre", déclare Dawson.

DESI abordera bientôt ce défi avec un ensemble de données de 3 ans suivi d'un ensemble de 5 ans. D'autres nouveaux instruments auront également leur mot à dire, notamment le satellite Euclid de l'Europe, lancé l'année dernière, l'Observatoire Vera C. Rubin, un télescope de relevé de 8 mètres qui commence à observer depuis le Chili en 2025, et le Télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA, prévu pour être lancé en 2027. Gawiser déclare : "L'ère de la cosmologie de précision avec des sondages de galaxies est arrivée."

doi: 10.1126/science.zjtrxb0

URL : <https://www.science.org/content/article/model-ever-expanding-universe-confirmed-dark-energy-probe>

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