Des astronomes cartographient plus de 100 millions de galaxies pour résoudre l’énigme de la matière noire et de l’énergie noire

Le programme Dark Energy Survey (DES) est un projet cosmologique ambitieux qui vise à cartographier énormément de galaxies. Pour ce faire, le projet détaillera des centaines de millions de galaxies, observera des milliers de supernovae, cartographiera la toile cosmique qui relie les galaxies entre elles, le tout dans le but d’étudier la force mystérieuse qui provoque l’expansion en accélération de l’Univers.

Image d’entête : Image en champ profond de quelques-unes des 226 millions de galaxies étudiées par le DES. (Dark Energy Survey/ DOE/ FNAL/ DECam/ CTIO/ NOIRLab/ NSF/ AURA)

Grâce à la Dark Energy Camera de 570 mégapixels installée sur le télescope Víctor M. Blanco de la National Science Foundation à l’Observatoire interaméricain de Cerro Tololo (CTIO), au Chili, le DES a observé la distribution et la morphologie des galaxies sur une distance de 7 milliards d’années-lumière, soit 1/8 du ciel terrestre.

L’Observatoire interaméricain de Cerro Tololo au Chili.

Les nouveaux résultats du DES, qui rassemble les travaux d’une équipe internationale de plus de 400 scientifiques de plus de 25 institutions de pays tels que les États-Unis, le Royaume-Uni, la France, l’Espagne, le Brésil et l’Australie, sont maintenant disponibles. Les résultats sont détaillés dans une série révolutionnaire de 29 études (lien plus bas) et comprennent des données recueillies au cours des trois premières années de fonctionnement du DES, ce qui fournit la description la plus détaillée à ce jour de la composition et de l’expansion de l’Univers.

La Dark Energy Survey camera (DECam) dans la salle blanche de SiDet. (DOE/ FNAL/ DECam/ R. Hahn/ CTIO/ NOIRLab/ NSF/ AURA)

L’enquête a été menée entre 2013 et 2019 et elle a permis de répertorier des centaines de millions d’objets. Les trois années de données couvertes par ces études contiennent à elles seules des observations d’au moins 226 millions de galaxies observées pendant 345 nuits.

Le fait que certaines de ces galaxies soient proches de la Voie lactée et que d’autres soient beaucoup plus éloignées (jusqu’à 7 milliards d’années-lumière) donne aux chercheurs une excellente image de l’évolution de l’Univers sur environ la moitié de sa durée de vie.

Les résultats semblent confirmer le modèle standard de la cosmologie, qui est actuellement la théorie la mieux étayée sur la composition et l’évolution de l’Univers. Ce modèle suggère que l’Univers a été créé lors d’un « Big Bang » et qu’il se compose de 5 % de matière ordinaire ou baryonique, de 27 % de matière noire et de 68 % d’énergie noire.

L’instantané de l’Univers fourni par le DES semble toutefois montrer que l’Univers est moins « touffu » que ne le suggèrent les modèles cosmologiques actuels.

Le fait que  »l’Univers sombre/ noir » (la portion de l’univers qui n’est pas directement observable, comprenant l’énergie noire et la matière noire) représente 95 % de la matière et de l’énergie du cosmos connu signifie qu’il existe d’énormes manques dans notre connaissance de l’évolution de l’Univers, de son passé, de son présent et de son avenir.

Ces manques concernent notamment la nature de la matière noire, dont l’influence gravitationnelle maintient les galaxies ensemble, et l’énergie noire, la force qui dilate l’espace entre les galaxies en les éloignant à grande vitesse.

Ces effets semblent s’opposer, puisque l’une maintient la matière ensemble et l’autre agit sur l’espace lui-même pour la séparer. C’est cette lutte cosmique qui façonne l’Univers que le DES a voulu étudier.

L’enquête a utilisé deux phénomènes essentiels pour y parvenir. L’étude de la toile cosmique qui relie les galaxies en amas et en regroupement diffus donne des indications sur la distribution et l’influence de la matière noire.

Le deuxième phénomène utilisé par le DES est la flexion de la lumière lorsqu’elle passe devant les courbures de l’espace-temps créées par des objets de très grande masse comme les galaxies. Cet effet, prédit par la théorie de la gravité d’Einstein, la relativité générale, est connu sous le nom de « lentille gravitationnelle« .

Schéma du phénomène de lentille gravitationnelle : un amas de galaxies, au centre de l’image, déforme par sa masse la lumière et la toile de l’espace-temps, représenter par la grille bleue. Ainsi, du point de vue de la Terre, en bas à droite, cette courbure de l’espace-temps crée un effet de loupe qui permet de grossir les galaxies se touvant plus loin derrière l’amas de galaxies entrainant l’effet de lentille gravitationnelle. (Hubble)

Le DES s’est appuyé sur une forme de cet effet, appelée lentille gravitationnelle faible, pour évaluer la répartition de la matière noire dans l’Univers, ce qui permet de déduire son « caractère compact ».

Les données recueillies par le DES ont été croisées avec les mesures effectuées par la mission exploitée par l’Agence spatiale européenne (ESA), l’observatoire Planck. Cet observatoire orbital, qui a fonctionné entre 2009 et 2013, étudiait le fond diffus cosmologique (CMB, image ci-dessous), une empreinte laissée par un événement survenu peu après le Big Bang, au cours duquel les électrons et les protons se sont connectés, permettant ainsi aux photons de voyager librement pour la première fois.

La carte ci-dessous présente la plus ancienne lumière dans notre univers, comme elle a été détectée avec la plus grande précision par la mission Planck. La lumière antique, appelée le fond diffus cosmologique, a été imprimée sur le ciel quand l’univers avait 370 000 ans. Elle montre les minuscules fluctuations de température qui correspondent aux régions aux densités légèrement différentes, représentant les graines de toute la future structure : les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui. (ESA/ Planck)

L’observation du fond diffus cosmologique révèle les conditions qui y étaient « figées » au moment de cet événement, connu sous le nom de « dernière diffusion » (Time of last scattering ou Grande recombinaison), et donne ainsi à l’équipe du DES une image détaillée de l’Univers lorsqu’il n’avait que 400 000 ans.

Le DES a étudié en profondeur dix régions appelées « champs profonds » (deep fields) qui ont été imagées à plusieurs reprises au cours de l’étude. Ces images ont été superposées, ce qui a permis aux astronomes d’observer de lointaines galaxies.

En plus de permettre aux chercheurs de voir plus loin dans l’Univers et donc de remonter plus loin dans le temps, les informations concernant le décalage vers le rouge, une augmentation de la longueur d’onde causée par des objets qui s’éloignent et qui peut résulter de l’expansion de l’Univers, prises dans ces champs profonds ont été utilisées pour étalonner le reste du relevé.

Il s’agit d’une avancée majeure pour les études cosmiques, qui a permis aux chercheurs d’obtenir une image de l’Univers d’une étonnante précision.

Alors que le DES s’est achevé en 2019, la richesse des données recueillies par l’enquête nécessite une puissance de calcul et un temps d’évaluation considérables. C’est pourquoi nous ne bénéficions que des trois premières années d’observation et cela signifie probablement que le DES a encore beaucoup à offrir.

En définitive, cela préparera le terrain pour le Legacy Survey of Space and Time (LSST), qui sera mené à l’observatoire Vera-C.-Rubin, actuellement en construction sur le pic El Penon du Cerro Pachon, dans le nord du Chili.

Alors que le DES n’a observé qu’un huitième du ciel terrestre, la caméra à grand champ du LSST capturera la totalité du ciel de l’hémisphère sud, soit la moitié du ciel de notre planète.

Une grande partie de la mission du LSST consistera à étudier la matière noire et l’énergie noire, ce qui signifie que lorsque les données du DES seront épuisées et que ses secrets seront révélés, un digne successeur attendra dans les coulisses pour assumer sa mission de découverte.

Vous permettrez au Guru de ne pas citer les 29 études ici, mais il vous fournit un lien vers une page du site du Dark Energy Survey les répertoriant : DES Year 3 Cosmology Results: Papers et présentée sur le site du Fermilab : Dark Energy Survey releases most precise look at the universe’s evolution et du NOIRLab : Dark Energy Survey Releases Most Precise Look at the Universe’s Evolution.