Un cartographe d'énergie sombre reconstruira 11 milliards d'années d'histoire cosmique

Les astronomes sont sur le point de se lancer dans leur plus ambitieux projet de cartographie de galaxies. Au cours des cinq prochaines années, ils utiliseront un télescope en Arizona, équipé de milliers de petits bras robotisés, pour capturer les spectres lumineux de 35 millions de galaxies et reconstruire l’histoire de l’expansion de l’Univers. Leur objectif principal: élucider la nature de l'énergie noire, la force énigmatique qui pousse l'Univers à accélérer à un rythme toujours plus rapide.

L’instrument de spectroscopie à énergie noire (DESI) devrait voir sa «première lumière» en septembre. Après une période de mise en service, son étude du ciel nord – en utilisant le télescope de 4 mètres Mayall à l'observatoire national de Kitt Peak près de Tucson – pourrait commencer dès janvier 2020. Environ trois quarts du budget de 75 millions de dollars US de DESI proviennent du département américain de l'énergie (DOE), avec des contributions majeures du Royaume-Uni et de la France.

DESI est la première d’une nouvelle génération d’expériences explorant l’expansion passée de l’Univers, deux décennies après la découverte de la première preuve convaincante d’énergie noire en 1998. Les autres comprennent des observatoires au sol et dans l’espace mis en ligne dans les années 2020. .

L'enquête reconstruira 11 milliards d'années d'histoire cosmique. Cela pourrait répondre à la première et la plus fondamentale des questions sur l'énergie noire: est-ce une force uniforme dans l'espace et dans le temps, ou sa force a-t-elle évolué au cours des éternités?

L’enquête suivra l’expansion cosmique en mesurant les caractéristiques de l’Univers primitif, connues sous le nom d’oscillations acoustiques baryoniques (BAO). Ces oscillations sont des ondulations dans la densité de la matière qui ont laissé une empreinte sphérique dans l'espace autour duquel les galaxies se sont regroupées. La distribution des galaxies est la plus élevée au centre de l'empreinte, une région appelée superamas, et autour de ses bords – avec des vides géants entre ces zones.

Modèle primordial

Les superamas se sont formés dans des régions où la matière noire – matériau invisible responsable de la formation de structures de cette envergure – s'était concentrée sous son propre attrait gravitationnel.

Ce schéma primordial d'agrégation de galaxies est resté inchangé depuis environ un million d'années après le Big Bang. Au fur et à mesure que l'Univers grandissait, les BAO ont suivi son expansion; ils ont maintenant une largeur d'environ 320 mégaparsecs (1 milliard d'années-lumière). Les cosmologues utilisent cette distance comme une règle; en suivant la taille des BAO à travers le temps, ils peuvent reconstruire l'expansion de l'univers lui-même.

«Le motif sur la carte est fondamentalement constant. l'échelle augmente », déclare un physicien du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en Californie et porte-parole de DESI.

Suivre les BAO nécessite une carte 3D des galaxies réalisée en mesurant leur décalage vers le rouge – l’allongement des ondes électromagnétiques dans leur spectre de lumière. Les déplacements vers le rouge mesurent la rapidité avec laquelle une galaxie s'éloigne de la Voie Lactée, ce qui indique à quelle distance se trouve cette galaxie.

Plus le décalage vers le rouge mesuré est important, plus le suivi BAO est précis. Eisenstein et d’autres ont trouvé la signature incontestable de BAO dans de précédents levés de galaxies, notamment ceux basés aux États-Unis (BOSS) terminés en 2014 et ceux basés en Australie, achevés en 2002. Ensemble, ces levés ont permis de cartographier près de 2,4 millions de galaxies.

Le nombre de galaxies suivies par DESI éclipsera les levés précédents de plusieurs ordres de grandeur. «Dans quelques mois, nous dépasserons ce que nous avions pour BOSS», déclare Michael Levi, physicien à la LBNL et directeur de DESI.

Modernisation du robot

DESI réalisera une telle accélération grâce à un design radicalement différent. Des sondages tels que BOSS ont utilisé des fibres optiques, placées dans des trous percés dans des plaques métalliques personnalisées, afin de capturer la lumière de chaque galaxie et de la livrer à un spectrographe distinct pour mesurer le décalage vers le rouge. Mais les plaques devaient être changées pour mesurer chaque partie différente du ciel, ce qui était lent et encombrant.

DESI accélérera ce processus en remplaçant les plaques de métal par 5 000 minuscules bras robotisés, disposés en un motif de ruche bien serré. Une fois que des images de galaxies sont projetées sur le plan focal du télescope – chacune d’une largeur d’environ 100 micromètres – les bras robotiques positionneront rapidement les fibres optiques à 10 micromètres au centre de chaque image, explique Joseph Silber, ingénieur en mécanique chez LBNL. la conception et la construction du système robotique.

Bien que BOSS modifie généralement environ cinq assiettes par nuit, le plan focal de DESI peut être modifié pour une autre partie du ciel en quelques minutes; La principale limite est la durée pendant laquelle l'exposition doit être suffisante pour obtenir suffisamment de lumière. En fonction de la saison et de la météo, DESI peut prendre au moins 30 expositions, chacune avec des milliers de décalages rouges, en une seule nuit.

Quelques autres expériences astronomiques, notamment le télescope spectroscopique à fibre multi-objets de la grande région du ciel à la station Xinglong en Chine, ont déjà utilisé des positionneurs robotiques. Mais, dit Silber, "DESI est sans aucun doute le plus gros programme jamais essayé."

DESI étudiera également le rôle de la matière noire dans la croissance des galaxies et des amas de galaxies en mesurant le mouvement en amas, a déclaré la porte-parole de DESI, Nathalie Palanque-Delabrouille, cosmologiste à la Commission française des énergies alternatives et de l'énergie atomique ( CEA) Centre de Recherche Saclay hors Paris. Ceci fournira des "tests exquis" des modèles préférés actuels de la manière dont la matière noire entraîne la croissance de grandes structures, a-t-elle déclaré, par rapport aux solutions de rechange expliquant la formation de ces structures en modifiant la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein.