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Des astrophysiciens publient la plus grande carte 3D de l’univers jamais produite

Le programme SDSS vient de remplir 11 milliards d’années dans notre portrait de l’univers, réalisant ainsi « certains des progrès en cosmologie les plus substantiels de la dernière décennie » [traduction], selon Will Percival, de l’Institut Périmètre.

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Le programme SDSS (Sloan Digital Sky Survey – Relevé numérique du ciel de la Fondation Sloan) a publié aujourd’hui une analyse complète de la plus grande carte tridimensionnelle de l’univers jamais produite, comblant les principales lacunes de notre exploration possible de son histoire. Au cœur de ces nouveaux résultats figurent des mesures détaillées de plus de 2 millions de galaxies et de quasars, qui couvrent 11 milliards d’années de temps cosmique.

« Le programme SDSS vient de réaliser certains des progrès en cosmologie les plus substantiels de la dernière décennie », déclare Will Percival, professeur associé à l’Institut Périmètre. « Au cours des 20 dernières années, SDSS a produit une série de relevés qui s’étendent maintenant sur une période de 11 milliards d’années de l’histoire cosmique. Nous avons fait le nécessaire pour remplir cette partie manquante du portrait, et nous utilisons maintenant l’information obtenue pour mieux comprendre cette période de l’histoire de notre univers. » [traduction]


CARTE 3D DE L’UNIVERS

Les nouveaux résultats proviennent du projet eBOSS (Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey – Relevé spectroscopique étendu des oscillations baryoniques), dont Will Percival est le scientifique responsable du relevé. Composante la plus récente du programme SDSS, eBOSS est un projet international auquel collaborent plus de 100 astrophysiciens.

Ces résultats sont le point culminant de 15 ans de travaux pour M. Percival, également directeur du Centre d’astrophysique de l’Université de Waterloo, où il est titulaire de la chaire éminente Mike-et-Ophelia-Lazaridis d’astrophysique. Il a occupé divers postes de gestion au sein du programme SDSS, dont le plus récent dans l’équipe de direction du projet eBOSS. Au moment où l’équipe se préparait à publier simultanément 23 articles totalisant plus de 500 pages, Will Percival était essentiellement chargé de veiller à la rigueur scientifique de ses résultats.

« Les nouvelles cartes produites par Will Percival et l’équipe du projet eBOSS sont le résultat d’un effort immense s’étalant sur plusieurs années », déclare Robert Myers, directeur de l’Institut Périmètre. « L’Institut Périmètre est très fier d’avoir participé à ces travaux. » [traduction]

La carte de SDSS a la forme d’un arc-en-ciel de couleurs situé dans l’univers observable (la sphère extérieure montre les fluctuations du rayonnement fossile). La Terre est au centre de cette carte. Le médaillon correspondant à chaque section de la carte identifiée par une couleur montre une image d’une galaxie ou d’un quasar typique de cette section, de même que le signal du motif que l’équipe du projet eBOSS y mesure. Plus ce que l’on observe est loin de nous, plus nous remontons dans le temps. L’emplacement de ces signaux révèle le rythme d’expansion de l’univers à différentes époques de l’histoire cosmique. Source de l’image : Anand Raichoor (EPFL), Ashley Ross (Université d’État de l’Ohio) et l’équipe du programme SDSS.

Dans son analyse des données de SDSS, l’équipe du projet eBOSS a créé une carte (ci-dessus) révélant les filaments et les vides qui définissent la structure de l’univers, à partir du moment où celui-ci n’avait qu’environ 300 000 ans. Dans cette carte, des chercheurs mesurent des motifs dans la distribution des galaxies, ce qui donne la valeur de plusieurs paramètres-clés de notre univers avec une marge d’erreur inférieure à 1 %. Les médaillons de l’image montrent les signaux de ces motifs.

Cette carte résulte de plus de 20 ans d’efforts de cartographie de l’univers à l’aide du télescope de la Fondation Sloan à l’observatoire d’Apache Point, au Nouveau-Mexique.


NOUVELLES FRONTIÈRES EN ASTRONOMIE

« Les données publiées antérieurement constituent un patrimoine important et ont été beaucoup utilisées pour de nombreuses analyses astrophysiques différentes — étude d’étoiles individuelles, de galaxies et de l’univers dans son ensemble », déclare Dustin Lang, informaticien à l’Institut Périmètre, qui a contribué à rassembler les données. « C’est vraiment incroyable qu’une expérience ait produit un tel héritage scientifique. » [traduction]

Selon l’histoire cosmique révélée par la carte du projet eBOSS, l’expansion de l’univers a commencé à s’accélérer il y a environ 6 milliards d’années et n’a jamais cessé de s’accélérer depuis. Cette expansion accélérée semble due à une composante invisible mystérieuse de l’univers appelée énergie sombre, compatible avec la théorie de la relativité générale d’Einstein, mais extrêmement difficile à concilier avec nos connaissances actuelles en physique des particules.


La carte 3D de l’univers produite par eBOSS

Les observations du projet eBOSS et les études de l’univers primitif révèlent des lacunes dans ce portrait de l’univers. En particulier, le rythme actuel d’expansion de l’univers mesuré par eBOSS (la « constante de Hubble ») est inférieur d’environ 10 % à la valeur donnée par la distance entre la Terre et des galaxies avoisinantes. Étant donné la grande précision des données d’eBOSS, il est très peu probable qu’un tel écart soit dû au hasard, et la grande variété des données d’eBOSS fournit de multiples manières indépendantes d’en arriver à la même conclusion. Il n’y a aucune explication largement admise de cet écart entre les rythmes mesurés d’expansion de l’univers, mais une possibilité intéressante serait qu’une forme auparavant inconnue de matière ou d’énergie contenue dans l’univers primitif ait pu laisser une trace dans notre histoire.

Au sein de l’équipe du projet eBOSS, différents groupes situés dans des universités un peu partout dans le monde se sont concentrés sur divers aspects de l’analyse. Pour produire la partie de la carte datant d’il y a 6 milliards d’années, l’équipe s’est servie de grandes galaxies rouges. Plus loin, elle a utilisé des galaxies bleues, plus jeunes. Enfin, pour cartographier l’univers d’il y a 11 milliards d’années et plus, elle s’est servie de quasars, galaxies brillantes éclairées par de la matière tombant dans un trou noir supermassif central. Chacun de ces échantillons a exigé une analyse attentive, afin de supprimer ce qui pouvait contaminer les données et pour révéler les modèles de l’univers.

Faizan Mohammad, postdoctorant au Centre d’astrophysique de l’Université de Waterloo et chercheur associé à l’Institut Périmètre, a dirigé l’une de ces analyses.

« Le matériel employé pour faire les observations laisse lui-même une empreinte sur la carte, explique-t-il. Il a fallu énormément de travail pour comprendre cette empreinte et la supprimer des données pour produire des mesures plus solides de l’univers. » [traduction]

Le projet eBOSS, et d’une manière plus générale le programme SDSS, laissent entiers l’énigme de l’énergie sombre et le problème de l’écart dans le rythme d’expansion de l’univers. D’autres projets s’y attaqueront, notamment DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument — Spectroscope de l’énergie sombre) et EUCLID, une mission de l’Agence spatiale européenne. Will Percival participe à ces 2 projets.

« Nous sommes extraordinairement fiers non seulement des résultats d’eBOSS, mais aussi des outils et mécanismes que nous avons mis au point pour analyser les données, dit-il. Ils seront extrêmement précieux lorsque la prochaine génération de relevés de galaxies sera prête et tentera de résoudre ce mystère — ou peut-être révélera d’autres surprises. » [traduction]

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