Du nouveau sur l'énergie noire et la courbure de l'univers

En étudiant la répartition et les spectres de plus d'un million de galaxies sur une portion de l'hémisphère nord de la sphère céleste, des membres du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ont fait considérablement progresser la précision de l’échelle des distances dans l'univers observable. En atteignant une précision de l'ordre de 1 % pour certains paramètres cosmologiques, ils ont posé de nouvelles bornes sur la nature de l'énergie noire et la courbure totale de l'espace.

Il y a trois types de grandeurs fondamentales que les scientifiques cherchent à mesurer en astrophysique et en cosmologie : des masses, des températures et des distances. On sait bien que la taille apparente d’un objet diminue en fonction de son éloignement. Si on connaît sa taille absolue, il suffit de déterminer sa taille apparente pour connaître sa distance. Dans un espace-temps plat, la trajectoire des rayons lumineux dans l’espace n’est pas affectée, et il existe donc une relation simple entre la variation de la taille apparente d’un objet et sa distance. Elle varie en fonction inverse de la distance.

Il se trouve que dans les modèles cosmologiques issus de la relativité générale, la loi de variation de la taille apparente d’un objet en fonction de son décalage spectral vers le rouge est sensible à la courbure de l’espace. Si l’on dispose d’un étalon de longueur fixe associé à un phénomène astrophysique et qu’on mesure son diamètre apparent ainsi que son décalage spectral, on peut donc mesurer la courbure spatiale de l’univers observable. Et donc, potentiellement, savoir s’il est clos ou ouvert. Comme les modèles cosmologiques étudiés sont dépendants de leur contenu en matière et énergie noires, on peut aussi avoir des renseignements sur le contenu de l’univers observable de cette manière.

Il existe un étalon de longueur qui se prête bien à ce calcul : celui associé aux oscillations acoustiques des baryons (BAO, pour baryon acoustic oscillations en anglais) dans l’univers primitif avant la recombinaison, c'est-à-dire avant l’émission du rayonnement fossile environ 380.000 ans après la « naissance » de l’univers observable. Avant cette recombinaison qui va donner lieu à la formation des atomes neutres, l’univers est un plasma chaud de protons, d’électrons, de photons et de neutrinos entourant des zones plus denses contenant de la matière noire. Ces zones attirent gravitationnellement les baryons, mais le couplage entre la matière normale et la lumière produit une pression qui s’oppose à l’effondrement des baryons. Le plasma de matière normale se contente donc d’osciller avec des ondes sphériques de densité autour des zones de surdensité de matière noire. La matière normale va donc avoir tendance à se concentrer sur des coquilles sphériques. Si l’on prend l’image de petites pierres lancées dans une mare, les ondes concentriques de surface qui se chevauchent donnent une bonne représentation des ondes sphériques se propageant dans le cosmos observable de l’époque.


Le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) est l'une des campagnes d'observations les plus ambitieuses et les plus influentes de l'histoire de l'astronomie. Pendant huit ans (SDSS-I de 2000 à 2005, puis SDSS-II de 2005 à 2008), les scientifiques ont obtenu des images d'objets distants couvrant plus d'un quart du ciel. Cela a permis de créer des cartes en trois dimensions contenant plus de 930.000 galaxies et plus de 120.000 quasars. La campagne SDSS-III est en cours jusqu'en 2014. Les observations ont été réalisées avec le télescope à l’image. © SDSS Team, Fermilab Visual Media Services

Au moment de la recombinaison, la pression des photons disparaît, et donc aussi les oscillations acoustiques des baryons. Il existe alors une longueur caractéristique dans la taille des coquilles sphériques de matière à cette époque. La trace de ce phénomène va se retrouver plus tard dans les regroupements de galaxies dans l’univers. En analysant ces regroupements à une date donnée de l’histoire du cosmos, on peut à la fois mesurer une échelle de distance fossile caractéristique des oscillations acoustiques des baryons et mesurer sa taille apparente.

Depuis les années 2000, les membres de la collaboration SDSS (Sloan Digital Sky Survey) utilisaient un télescope optique de 2,5 mètres de diamètre situé à l'observatoire d'Apache Point, aux États-Unis, pour dresser une carte de la répartition des galaxies autour de la Voie lactée et mesurer les décalages spectraux associés. En 2008, quatre nouvelles campagnes d’observation ont été lancées avec SDSS-III. L’une d’elles se nomme Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (Boss) et avait précisément pour but de mesurer et caractériser précisément l’étalon de longueur contenu dans les oscillations acoustiques des baryons, ainsi que de relier sa taille apparente à des décalages spectraux.

Les astronomes de Boss ont ainsi cartographié et analysé les spectres de 1.277.503 galaxies sur une portion de la voûte céleste dont la taille angulaire est de 8.509 degrés carrés dans l'hémisphère nord. Cet échantillon de galaxies mais aussi de quasars plonge jusqu’à six milliards d’années dans le passé de notre univers, c'est-à-dire précisément la période où l’accélération de l’expansion de l’univers sous l’effet de l’énergie noire est devenue notable. Une fois terminées, les observations de Boss contiendront des spectres de haute qualité de 1,3 million de galaxies, ainsi que de 160.000 quasars et beaucoup d'autres objets astronomiques, couvrant une surface angulaire de 10.000 degrés carrés.

Les chercheurs viennent de publier sur arxiv les derniers résultats de leurs analyses des données patiemment accumulées depuis 2008. Ils ne cachent pas leur enthousiasme devant la précision des mesures atteintes en ce qui concerne les distances et d’autres paramètres cosmologiques. Il y a 20 ans, certaines étaient connues avec une incertitude de 50 % : elle était tombée à 5 % voilà 5 ans, et on atteint maintenant une précision de 1 %.

Les deux conclusions principales qui ont pu être déduites sont que l’univers ne donne toujours aucun signe d’un écart à la géométrie euclidienne pour ce qui concerne la courbure de l’espace et qu’il n’y a toujours aucun signe d’un changement de la valeur de l’énergie noire pendant ces derniers six milliards d’années. Elle se comporte donc comme la constante cosmologique d’Einstein, ce qui est assez décevant, car dans le cas contraire, on aurait pu faire le lien avec de la nouvelle physique comme celle de la supergravité.