17/07/2016

Plus d'1 million de galaxies cartographiées en 3 dimensions pour étudier l'énergie sombre


La plus grande cartographie en trois dimensions des galaxies distantes vient d'être rendue publique par la collaboration du programme Sloan Digital Sky Survey III (SDSS III) qui regroupe plusieurs centaines d'astronomes européens, américains et asiatiques. Cette cartographie inédite permet aux astrophysiciens de mesurer avec une précision encore jamais atteinte les effets de la mystérieuse énergie sombre...





C'est pas moins de 1,2 millions de galaxies réparties sur un quart du ciel, qui ont été cartographiées par des relevés systématiques engagés il y a maintenant 10 ans et qui représentent un volume d'Univers de 650 milliards d'années-lumière cube... La vaste collaboration scientifique publie ses résultats extrêmement riches cette semaine dans une série de cinq articles dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Le programme d'étude qui a permis de produire ces résultats au sein du SDSS III est nommé le Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). La principale conclusion de cette cartographie unique est de révéler comment l'Univers s'étend au cours du temps, et donc de fournir une évaluation de la quantité de matière noire d'un côté et d'énergie sombre de l'autre.

BOSS mesure le taux d'expansion de l'Univers en déterminant la taille de ce qu'on appelle les oscillations acoustiques baryoniques (BAO) visibles dans la distribution spatiale en trois dimensions des galaxies. La taille originale des BAO est déterminée par les ondes de pression qui se propageaient dans l'Univers quand il était très jeune, à l'époque du découplage lumière-matière (380000 ans après la singularité initiale). Lorsque ce découplage a eu lieu, les ondes de pression (acoustiques) se sont figées dans la distribution des surdensités de matière qui donneront plus tard les galaxies. Le résultat que nous voyons aujourd'hui en cartographiant des millions de galaxies, c'est que les galaxies sont préférentiellement séparées par une distance caractéristique que les astrophysiciens appellent l'"échelle acoustique".

Ariel Sanchez, du Max-Planck Institute of Extraterrestrial Physics, auteur principal de l'étude qui estime la proportion de matière noire et d'énergie sombre explique :"Mesurer l'échelle acoustique au cours du temps cosmologique fournit un outil incomparable pour estimer avec précision le taux d'expansion de l'Univers. Avec BOSS, nous avons retracé les empreintes des BAO sur la distribution des galaxies qui se trouvent entre 2 et 7 milliards d'années-lumière".


Pour mesurer avec la plus grande précision les anciennes ondes de pression de l'Univers jeune, il fallait construire la cartographie la plus vaste possible, plusieurs fois plus grande que les précédentes. Et comme l'énergie sombre avait été estimée il y a quelques années devoir influencer l'expansion de l'Univers surtout depuis 5 milliards d'années, il fallait que BOSS explore les galaxies au-delà de cette époque.
Florian Beutler (Université de Portsmouth), auteur principal de l'un des cinq articles précise :"Si l'énergie sombre dirige l'expansion de l'Univers depuis ce temps, nos cartes nous disent qu'elle évolue très lentement : à peine 20% depuis les 7 derniers milliards d'années!".

L'équipe de Jose Vazquez (Brookhaven National Laboratory), a quant à elle combiné les résultats de BOSS avec ceux d'autres grands relevés à la recherche de signes de phénomènes physiques inexpliqués. Ils n'observent (hélas!) rien d'anormal vis à vis du modèle standard de la cosmologie tel qu'il a été construit depuis 1998.

Tous ces résultats montrent une très forte connexion entre les empreintes des ondes acoustiques qui peuvent être observées dans le fond diffus cosmologique par le satellite Planck, et la distribution spatiale des galaxies telles qu'elles existent entre 7 et 12 milliards d'années plus tard. Cette cohérence sur des durées aussi grandes est une grande avancée pour la cosmologie, qui voit ainsi le tableau de notre Univers beaucoup mieux dépeint.
Par ailleurs, la carte des galaxies révèle les mouvements d'ensemble de galaxies vers les zones de plus forte densité de matière, dus à la gravitation. Elle est une nouvelle confirmation de la théorie de la relativité générale, cette fois-ci à très grande échelle. Elle dit surtout aux astrophysiciens que l'accélération de l'expansion de l'Univers n'est pas due à un défaut de la théorie de la gravitation, mais bel et bien à un phénomène apparaissant aux plus grandes échelles, comme l'énergie sombre.

Le dernier article (5) de cette série de publications fait la synthèse des contraintes apportées par ces cartographies de BOSS sur les paramètres du modèle cosmologique, et c'est sans doute ce qui nous intéresse le plus... La valeur de la constante de Hubble H0 obtenue est de 67,3 +-1 km/s/Mpc en combinant des données de supernovas. Cette valeur est cohérente avec celle déduite par les données de Planck sur le fond diffus mais en tension avec la valeur déduite d'observations récentes de supernovas et de Céphéides (voir ici). Et même en ajoutant une espèce de particules relativistes en plus dans le modèle pour augmenter la valeur du paramètre Neff (voir toujours ici), la valeur de H0 ne varie que très peu, atteignant seulement 67,8 +-1,2 km/s/Mpc. 
Quant à la valeur de la courbure, ils la trouvent extrêmement proche de 0, ce qui permet aux chercheurs de considérer le modèle cosmologique LambdaCDM à courbure nulle et évaluent dans ce cadre la densité de matière (ordinaire+noire) à 0,310+-0,005, H0 à 67,6 +-0,5 km/s/Mpc et la masse maximale des neutrinos (somme des masses des trois familles) à 0,16 eV/c².

BOSS vient ainsi de marquer un jalon important pour la cosmologie, en combinant des mesures précises de distributions de galaxies dans un énorme volume et celles du fond diffus cosmologique, permettant de fournir de nouvelles contraintes indépendantes pour le modèle standard cosmologique.
Le programme de recherche devrait maintenant être étendu dans la prochaine décennie en y ajoutant des relevés spectroscopiques toujours plus fins.


Sources :

1. The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Cosmological implications of the Fourier space wedges of the final sample
the BOSS collaboration
à paraître dans MNRAS

2. The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Angular clustering tomography and its cosmological implications
S. Salazar-Albornoz et al.
à paraître dans MNRAS

3. The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: combining correlated Gaussian posterior distributions
Ariel G. Sanchez et al.
à paraître dans MNRAS

4. The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Anisotropic galaxy clustering in Fourier-space
F. Beutler et al.
à paraître dans MNRAS

5. The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: cosmological analysis of the DR12 galaxy sample
the BOSS collaboration
à paraître dans MNRAS

Illustrations : 

1) Coupe de la carte en 3D produite par BOSS. Le rectangle de gauche montre une coupe de 1000 degrés carrés sur le ciel, contenant 120000 galaxies, correspondant à 10% du total du relevé. Les mesures spectroscopiques (mesures du décalage vers le rouge) donnent la carte en 3 dimensions, jusqu'à 7 milliards d'années-lumière (à droite). Chaque point est une galaxie. (Jeremy Tinker/SDSS-III)

2) Coupe de la cartographie à l'époque située il y a 6 milliards d'années sur une épaisseur de 500 millions d'années-lumière. Cette image représente 1/20 de la surface du ciel, soit une largeur de 6 milliards d'années-lumière et une hauteur de 4,5 milliards d'années-lumière. La couleur indique la distance, du jaune au mauve. Les galaxies sont distribuées en superamas séparés par des "bulles" de vide, elles sont au nombre de 48741 dans cette coupe, soit 3% de l'ensemble du relevé. Les zones en grisé sont des régions du ciel sans données (Daniel Eisenstein/SDSS-III)

6 commentaires :

Pascal CAZABAT a dit…

J'ai un peu de mal à comprendre le lien entre matière noire et énergie noire.
Dans un univers en expansion.
Si je comprends bien, la matière noire justifie la cohésion des galaxies.
L'énergie noire justifie le rythme d'expansion de l'Univers.

Oui/Non/Pas du tout rien compris ?

Dr Eric SIMON a dit…

C'est tout à fait ça, vous avez très bien compris!

Pascal CAZABAT a dit…

Qu'appelle-t-on 'ondes acoustiques'
Est-ce simplement le mode de propagation longitudinal ?

Dr Eric SIMON a dit…

Plutôt que de vous répondre trop brièvement ici, je vous renvoie vers cette très bonne explication de ce que sont les oscillations acoustiques baryoniques, et c'est en français :
http://sortirdediaspar.blogspot.fr/2012/09/bao-un-etalon-cosmique.html

Pascal CAZABAT a dit…

Je n'ai pas lu, ou pas compris la notion d'ondes acoustiques.

Dr Eric SIMON a dit…

On les appelle des oscillations acoustiques car il s'agit d'ondes de pression (ondes de matière), à l'image des ondes de pression dans l'air qui forment le son... Ces BAO existaient dans le plasma avant la recombinaison protons-électrons (à t=380000 ans) et leur trace existe toujours dans la distribution de la matière à grande échelle (distribution des galaxies).