Une combinaison puissante de données permet de réaliser une tomodensitométrie cosmique de l’évolution de l’univers
Une puissante combinaison de données provenant de deux enquêtes astronomiques très différentes a permis aux chercheurs de réaliser une tomodensitométrie cosmique de l’évolution de l’univers. Ces instantanés révèlent que, alors que des forces telles que la gravité ont remodelé l’univers, ce dernier est devenu moins dense. En d’autres termes, l’univers est devenu plus compliqué que prévu. L’équipe à l’origine de ces découvertes a utilisé la sixième et dernière publication de données du télescope cosmologique Atacama (ACT) en combinaison avec les données de l’année 1 de l’Instrument Spectroscopique Dark Energy (DESI) pour parvenir à ces conclusions. Cette puissante combinaison de données a permis aux chercheurs de juxtaposer le temps cosmique, en superposant d’anciennes photos cosmiques à des images récentes de l’univers, créant ainsi une perspective multidimensionnelle du cosmos. Ce processus est similaire à une tomodensitométrie cosmique, où nous pouvons observer différentes tranches de l’histoire cosmique et suivre la manière dont la matière s’est agglomérée à différentes époques, a déclaré Mathew Madhavacheril, co-leader de l’équipe, de l’Université de Pennsylvanie.
Une histoire de la lumière cosmique ancienne
Pour que l’équipe puisse construire cette tomodensitométrie de l’univers, elle a dû se tourner vers la lumière qui existe depuis presque aussi longtemps que le cosmos lui-même. Avec une telle lumière ancienne, il est possible de suivre les changements que l’univers a subis lorsque la gravité l’a remodelé durant environ 13,8 milliards d’années.
ACT, couvrant environ 23% du ciel, dresse le portrait des premiers temps de l’univers en utilisant une lumière lointaine et faible qui voyage depuis le Big Bang, a déclaré Joshua Kim, co-leader de l’équipe et chercheur diplômé du groupe Madhavacheril. Formellement, cette lumière est appelée le fond diffus cosmologique (CMB), mais nous l’appelons parfois simplement la photo de bébé de l’univers parce que c’est un instantané de quand il avait environ 380 000 ans. Le CMB est la lumière qui reste d’un événement qui s’est produit peu de temps après le Big Bang, appelé la dernière diffusion. Cela s’est produit lorsque l’univers s’était suffisamment dilaté et refroidi pour permettre aux électrons et aux protons de former les premiers atomes neutres d’hydrogène. La disparition des électrons libres signifiait que les photons, également appelés particules de lumière, pouvaient voyager librement sans être continuellement diffusés. En d’autres termes, l’univers est soudainement passé d’un état opaque à un état transparent. Aujourd’hui, cette première lumière est vue comme le CMB, également connu sous le nom de surface de la dernière diffusion.
Les lentilles gravitationnelles dévoilent les structures cosmiques
Bien que souvent décrit comme un fossile cosmique, le CMB n’est pas resté complètement inchangé au cours de ces milliards d’années. L’expansion de l’univers a fait que ses photons ont subi un décalage vers des longueurs d’onde plus longues et ont perdu de l’énergie. Sa température est maintenant uniforme à moins 454 degrés Fahrenheit (moins 270 degrés Celsius). Parce que la masse déforme le tissu de l’espace-temps, donnant naissance à la gravité, la lumière provenant du CMB a été déformée en traversant des structures larges, denses et lourdes telles que des amas de galaxies. Cela revient à regarder un motif de grille au fond d’une piscine vide et à noter la distorsion causée par l’ajout d’eau. Ce phénomène est connu sous le nom de lentille gravitationnelle. Albert Einstein l’a proposé pour la première fois dans le cadre de sa théorie de la gravité, la relativité générale. En notant comment le CMB s’est déformé et distordu au fil du temps, les scientifiques peuvent en apprendre beaucoup sur l’évolution de la matière au cours de ces milliards d’années.
La distribution des galaxies révèle l’évolution de la matière
Alors que les données d’ACT capturent un instantané du CMB lorsqu’il était encore un bébé, DESI fournit aux scientifiques un enregistrement plus récent d’un univers adulte. DESI réalise cela en cartographiant la structure tridimensionnelle de l’univers, en se basant sur la distribution de millions de galaxies, en particulier les galaxies rouges lumineuses (LRG). En utilisant ces galaxies comme points de repère cosmiques, les scientifiques peuvent reconstituer la façon dont la matière s’est dispersée au fil du temps. Les LRG de DESI sont comme une photo plus récente de l’univers, nous montrant comment les galaxies sont réparties à différentes distances. C’est une façon puissante de voir comment les structures ont évolué depuis la carte du CMB jusqu’à l’emplacement actuel des galaxies.
En superposant les cartes de lentilles CMB d’ACT et les données LRG de DESI, nous pouvons parcourir un album photo montrant le développement d’un nourrisson à un adulte, mais pour le cosmos. En parcourant cet album photo cosmique, l’équipe a remarqué une petite divergence. La densité de la matière calculée par l’équipe dans les époques ultérieures du cosmos ne correspond pas aux prédictions théoriques. Bien que cette divergence ne soit pas suffisamment grande pour suggérer de nouvelles lois physiques, elle suggère que les structures cosmiques n’ont pas évolué exactement de la manière prévue par les modèles de l’univers primitif. Les résultats laissent également entendre que la croissance structurelle de l’univers a pu ralentir d’une manière que les modèles actuels n’expliquent pas pleinement.
Nous avons constaté que, pour la plupart, l’histoire de la formation des structures est remarquablement conforme aux prédictions de la gravité d’Einstein, a déclaré Madhavacheril. Nous avons cependant remarqué une légère divergence dans la densité attendue à des époques récentes, il y a environ quatre milliards d’années, ce qui pourrait être intéressant à approfondir.
Des recherches qui se poursuivent avec de meilleurs télescopes
Les chercheurs à l’origine de ce travail ont l’intention de poursuivre cette ligne de recherche, mais en utilisant des télescopes plus performants à venir, ce qui devrait leur fournir des mesures plus précises. Les recherches de l’équipe ont été publiées le 10 décembre 2024 dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
