Des informations cachées dans les cartes de galaxies peuvent bientôt être révélées grâce à une nouvelle méthode d’analyse qui préserve leur nature tridimensionnelle.
Les informations cachées pourraient être cruciales pour déterminer si le modèle standard de la cosmologie est correct ou s’il existe des déviations qui pourraient affecter notre compréhension de l’univers sombre, qui comprend la matière sombre et l’énergie sombre.
La recherche, dirigée par l’astronome Minh Nguyen de l’Université de Tokyo, utilise de puissants algorithmes informatiques capables de comparer les positions relatives des galaxies dans une carte tridimensionnelle de l’univers avec des simulations détaillées qui représentent la croissance et le comportement des galaxies et des halos de matière sombre.
Une technique pour révéler les informations cachées
Auparavant, les astronomes effectuaient des enquêtes sur les galaxies en prenant des images de l’espace lointain sur des plaques photographiques, et ils mesuraient directement sur les plaques la distribution spatiale des galaxies en deux dimensions. Ils essayaient de répondre à des questions du type : « À quelle distance ces galaxies se trouvent-elles de leurs voisines ? » et « À quel point sont-elles bien alignées les unes sur les autres ? »
Mais aujourd’hui, une troisième dimension peut être ajoutée à ces enquêtes grâce à la spectroscopie multi-objets, qui mesure le décalage vers le rouge de ces galaxies et donc leur distance dans un univers en expansion, dans un volume d’espace observé. Avec de telles mesures de distance, il est possible de créer une carte tridimensionnelle de l’univers.
Cependant, les capacités de calcul requises pour analyser statistiquement ces données de galaxies tridimensionnelles sont considérables, et c’est pourquoi, pour des raisons d’efficacité, les données tridimensionnelles sont traditionnellement compressées sous forme de « fonctions de corrélation à n points », le n faisant référence à un nombre (généralement deux ou trois points de données).
Cependant, une suspicion persistait : la compression et l’analyse des données de cette manière pourraient faire en sorte que certaines informations soient manquées ou cachées. Grâce à une technique appelée « inférence au niveau du champ » (Field-Level Inference ou FLI) combinée à une suite d’algorithmes regroupés dans un cadre appelé LEFTfield qui modélise la croissance et le groupement des galaxies depuis l’univers primitif jusqu’à nos jours, l’équipe de Nguyen a démontré que des informations importantes sont effectivement supprimées par la compression. L’équipe a remporté la troisième place au prix cosmologique Buchalter pour ces résultats.
Révélation de détails cachés
« Avec l’inférence au niveau du champ, nous travaillons directement avec une carte tridimensionnelle de galaxies », a déclaré Nguyen à Space.com. « La carte est représentée sur l’ordinateur par des voxels, qui sont similaires à des pixels tridimensionnels sur une grille en treillis. L’inférence au niveau du champ représente ensuite, dans cette grille de voxels, ce à quoi devrait ressembler la structure tridimensionnelle des galaxies et de la matière sombre sous-jacente selon le modèle standard de la cosmologie (qui décrit comment la structure à grande échelle de l’univers évolue sous l’influence de la matière sombre et de l’énergie sombre). »
Avec l’aide de puissants algorithmes informatiques, l’inférence au niveau du champ vise à comparer ces prédictions avec la position observée des galaxies à chaque point de la grille tridimensionnelle, explique Nguyen.
Des résultats détaillés et précis
Nguyen et ses collègues, Fabian Schmidt, Beatriz Tucci, Martin Reinecke et Andrija Kostic de l’Institut Max Planck d’astrophysique en Allemagne, ont initialement testé l’inférence au niveau du champ sur des cartes simulées d’halos de matière sombre, qui sont d’immenses amas de matière sombre entourant des galaxies et des amas de galaxies. Ces halos jouent le rôle d’échafaudages à l’intérieur desquels la matière visible se regroupe pour former des galaxies. Plus récemment, dans le cadre d’une collaboration baptisée « Beyond Two-Point », Nguyen et Schmidt ont appliqué l’inférence au niveau du champ sur des galaxies simulées également, avec des résultats qui seront bientôt publiés dans la revue « The Astrophysical Journal Supplement Series ».
Leurs résultats montrent une amélioration de trois à cinq fois en termes de détail et de précision par rapport aux fonctions de corrélation à deux et trois points. Ces détails supplémentaires indiquent que des informations étaient cachées avec l’ancienne méthode.
Des révélations sur l’univers sombre
Et que peuvent nous révéler ces informations jusqu’ici cachées ? Les structures à grande échelle dans l’univers, les grandes chaînes d’amas de galaxies qui s’étendent à travers le cosmos, peuvent être retracées jusqu’aux fluctuations quantiques du big bang qui ont conduit à des surdensités qui se sont développées sous l’effet de la gravité pour former des galaxies. L’inférence au niveau du champ pourrait révéler des asymétries dans ces fluctuations qui se sont figées dans le temps sous la forme de la distribution des galaxies, ou encore comment les anomalies dans l’évolution gravitationnelle des galaxies dans l’univers plus récent pourraient révéler des détails sur la matière sombre, voire sur la gravité elle-même.
« En ayant accès à tout le champ sous-jacent de matière sombre associé au champ de galaxies observées, nous pourrions être plus sensibles aux effets locaux », explique Nguyen. Ces effets locaux sont en moyenne dans les analyses utilisant des fonctions de corrélation à n points.
L’avenir des cartes de galaxies
La prochaine étape consiste à mettre l’inférence au niveau du champ à l’épreuve avec de vraies données provenant de l’instrument spectroscopique pour l’énergie sombre à Kitt Peak National Observatory, du spectrographe principal Subaru et de la mission Euclid de l’Agence spatiale européenne, puis ultérieurement avec l’Observatoire Vera C. Rubin qui devrait prendre vie plus tard cette année au Chili, ainsi que le télescope spatial Nancy Grace Roman qui devrait être lancé en 2027. Tous procéderont à des relevés de décalages vers le rouge des galaxies afin de dresser d’immenses cartes tridimensionnelles de la distribution des galaxies.
En ce qui concerne l’univers sombre et son impact sur la croissance des galaxies dans les structures à grande échelle de l’univers, il y a encore beaucoup de choses que nous ne connaissons pas. Mais grâce à l’inférence au niveau du champ, il est possible de décrire la distribution de la matière sombre associée aux galaxies de la carte.
C’est assez intéressant, étant donné que nous ne pouvons pas observer directement la matière sombre, et cela complète les cartes de matière sombre construites à partir de l’effet de lentille gravitationnelle, selon Fabian Schmidt.
La cartographie des galaxies pour comprendre l’univers
Finalement, la cartographie des galaxies ne consiste pas seulement à décrire l’univers d’un point de vue pictural ; elle pourrait finalement tracer la voie vers des révélations sur les origines de tout ce que nous observons dans le cosmos.
Cette recherche a été publiée le 27 novembre 2024 dans la revue « Physical Review Letters ».
