Un consortium international d’astronomes a réalisé les plus précises mesures à ce jour de l’énergie sombre (ou énergie noire), tout en identifiant les positions de 1,2 million de galaxies dans la plus grande carte 3D de l’univers. Celle-ci couvre plus d’un quart du ciel, représentant un volume de 650 milliards d’années-lumière cubes.

Le projet a été préparé et mené sur 5 ans par des centaines de scientifiques du Sloan Digital Sky Survey III (relevé astronomique SDSS-III) pour le programme Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) qui tente, entre autres, de comprendre comment l’énergie noire entraine l’expansion de l’univers.

En bref, les chercheurs ont sondé une section du ciel pour mesurer le décalage vers le rouge, ce qui arrive lorsque des objets astronomiques s’éloignent de nous, en décalant la lumière à l’extrémité rouge du spectre alors que ses longueurs d’onde s’allongent. C’est un concept clé pour tracer l’expansion de l’univers.

En me reprenant (Comment mesure-t-on l’immensité de l’univers ?) Dans le cas de la lumière, où l’on lui réserve plus précisément le terme d’effet Doppler-Fizeau, les ondes lumineuses à l’avant de l’objet qui se déplacent sont plus courtes et apparaissent en bleu et les ondes plus longues, à l’arrière de l’objet, apparaissent rouges (notion de décalage vers le rouge ou le bleu : redshifts ≠ blueshifts). 

L’énergie sombre est la force répulsive et mystérieuse que les astronomes pensent être à l’origine de l’expansion s’accélérant de l’univers. La carte est façonnée par les forces en concurrences de l’énergie sombre et de la matière noire, une matière théorique qui ne dégage pas de lumière ou d’énergie et qui permet aux chercheurs de mesurer le taux d’expansion de l’univers. De là, ils sont alors en mesure de déterminer la quantité d’énergie noire et la matière qui compose l’univers.

Selon David Schlegel, astrophysicien au Laboratoire national Lawrence-Berkeley et responsable de la recherche pour le BOSS, l’énergie sombre représente actuellement 69 % de la “densité énergétique” de l’univers et elle est un facteur dominant dans la manière dont l’univers évolue aujourd’hui.

Le taux d’expansion de l’univers est déterminée par la taille des oscillations acoustiques des baryons (BAO) dans l’arrangement 3D des galaxies. Ce sont des fluctuations ou des ondes de pression dans la densité de la matière visible, semblable aux ondes sonores qui laissent une empreinte acoustique. Les chercheurs ont examiné les ondes de pression et leurs empreintes après le big bang, qui ont été fixés dans la distribution de la matière de l’univers de 400 000 ans. Ils pouvaient alors voir une connexion nette entre cet univers naissant et le regroupement des galaxies, 7 à 12 milliards d’années plus tard.

Une illustration de la notion d’Oscillations acoustiques des baryons, qui ont laissé leurs empreintes dans le fond diffus cosmologique et peuvent encore être détectées aujourd’hui dans des enquêtes comme celles du BOSS :

Selon Schlegel :

L’univers actuel est en pleine expansion de 1 % dans chaque sens tous les 145 millions d’années. S’il n’y avait pas d’énergie sombre, il serait en expansion plus lentement.

La carte est capable de mesurer à quel point les galaxies et les étoiles se regroupent en fonction du temps et avec une telle précision que les chercheurs sont maintenant en mesure de tester la relativité générale à un niveau cosmologique. Ils peuvent également voir les galaxies qui se déplacent vers les régions de l’univers contenant plus de matière, tractées par la force d’attraction de la gravité.

En image d’entête : une tranche à travers la carte de la structure à grande échelle de l’Univers du Sloan Digital Sky Survey et de son Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. Chaque point dans cette image indique la position d’une galaxie 6 milliards d’années dans le passé. L’image couvre environ 1 / 20e du ciel, une tranche de l’Univers de 6 milliards d’années-lumière de large, 4,5 milliards d’années-lumière de haut et de 500 millions d’années-lumière d’épaisseur. Les couleurs indiquent la distance de la Terre, allant du jaune sur le côté près de la tranche au violet sur l’autre côté. Les galaxies sont très groupées, révélant des superamas et des vides ensemencée dans la première fraction de seconde après le Big Bang. Cette image contient 48 741 galaxies, environ 3% de l’ensemble des données du relevé astronomique.

L’image ci-dessous présente une illustration montrant comment une image en 2 dimensions du ciel a été transformée en une carte 3D de l’univers grâce aux données du Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. (Jeremy Tinker/ SDSS-III)

Toujours selon Schlegel :

La force de gravité, la relativité générale, est généralement mesurée et testée sur des échelles de kilomètre, de milliers de km, ou des millions dans le système solaire. Avec ces nouvelles cartes, nous voyons ce que la gravité fait sur des échelles qui sont des milliards de fois plus grandes que cela. Certaines théories ont supposé que la force gravitationnelle serait différente sur les grandes échelles, mais nous voyons la même force gravitationnelle décrite à l’origine par Einstein au travail sur les plus grandes échelles.

Les résultats de ce projet de cartographie ont été décrits dans une série de documents publiée dans The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: cosmological analysis of the DR12 galaxy sample et présentés sur le site du Berkeley Lab : Dark Energy Measured with Record-Breaking Map of 1.2 Million Galaxies.