Dans les années 1960, les astronomes ont commencé à remarquer un fond de micro-ondes omniprésent visible dans toutes les directions. Par la suite connue sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB), l’existence de ce rayonnement relique a confirmé la théorie du Big Bang, qui postule que toute la matière s’est condensée en un seul point de densité infinie et de chaleur extrême qui a commencé à se dilater ca. il y a 13,8 ans. En mesurant le CMB pour le décalage vers le rouge et en les comparant aux mesures de distance locales (en utilisant des étoiles variables et des supernovae), les astronomes ont cherché à mesurer la vitesse à laquelle l’Univers s’étend.
À peu près à la même époque, les scientifiques ont observé que les courbes de rotation des galaxies étaient beaucoup plus élevées que ne le suggérait leur masse visible. Cela signifiait que soit la théorie de la relativité générale d’Einstein était fausse, soit l’univers était rempli d’une masse mystérieuse et invisible. Dans une nouvelle série d’articles, les membres de la collaboration Atacama Cosmology Telescope (ACT) ont utilisé la lumière de fond du CMB pour créer une nouvelle carte de la distribution de la matière noire qui couvre un quart du ciel et s’étend profondément dans le cosmos. Cette carte confirme la relativité générale et ses prédictions sur la façon dont la masse modifie la courbure de l’espace-temps.
L’ACT est un consortium international de plus de 160 scientifiques des États-Unis, du Royaume-Uni, du Canada, de la France, de l’Allemagne, de l’Italie, du Chili, de la Suisse, du Japon, de l’Afrique du Sud et du Goddard Space Flight Center de la NASA. Leur objectif est de fournir des mesures améliorées des paramètres qui décrivent le tout premier Univers en surveillant la lumière qui a émergé pendant “Cosmic Dawn” (lorsque l’Univers n’avait que 380 000 ans), qui est visible aujourd’hui sous le nom de CMB. En comparant cela aux mesures de l’Univers local, les astronomes et les cosmologistes espèrent en savoir plus sur son évolution.
Selon le modèle cosmologique prédominant – le modèle Lambda Cold Dark Matter (LCDM) – la matière noire représente 85 % de la masse du cosmos. Malheureusement, il n’interagit pas avec la matière normale (“lumineuse”) via des forces nucléaires électrofaibles ou fortes, uniquement la gravité (la plus faible des forces fondamentales). Pour traquer cette masse illusoire et “invisible”, la collaboration ACT utilise le Atacama Cosmology Telescope (ACT), un télescope à ondes millimétriques de six mètres (~ 20 pieds) construit sur mesure situé à l’observatoire Llano de Chajnantor dans le nord du Chili. .;
Comme ils le décrivent dans leurs trois nouveaux articles dont la publication est prévue dans Le Journal Astrophysique, l’équipe s’est appuyée sur les données de la publication de données 6 (DR6) de l’ACT, qui consistait en cinq saisons d’observations de température et de polarisation du CMB. Ces lectures lumineuses ont été essentiellement utilisées pour rétroéclairer toute la matière entre aujourd’hui et le Big Bang (il y a environ 13,8 milliards d’années). Dit Suzanne Staggs, professeur de physique Henry DeWolf Smyth à l’Université de Princeton et directeur de l’ACT :
« C’est un peu comme la silhouette, mais au lieu d’avoir simplement du noir dans la silhouette, vous avez une texture et des morceaux de matière noire, comme si la lumière filtrait à travers un rideau de tissu qui avait beaucoup de nœuds et de bosses. La célèbre image CMB bleue et jaune est un instantané de ce à quoi ressemblait l’Univers à une seule époque, il y a environ 13 milliards d’années, et maintenant cela nous donne des informations sur toutes les époques depuis.
L’image à laquelle il est fait allusion ici est la fameuse image plein ciel basée sur les données recueillies par le Sonde d’anisotropie micro-ondes Wilkinson (WMAP) entre 2001 et 2003. Cette mission (qui est restée opérationnelle jusqu’en 2010) s’est appuyée sur les travaux antérieurs du Explorateur de fond cosmique (COBE), qui a collecté des données sur le CMB de 1989 à 1993. Puis est venu le Planck satellite, qui a mesuré le CMB de 2009 à 2013 pour cartographier de minuscules fluctuations de température. Les cartes de plus en plus précises qui en ont résulté ont donné un aperçu de l’évolution du cosmos en montrant quelles étaient ses conditions initiales.
Cette dernière carte a poussé cette recherche un peu plus loin en l’utilisant pour mesurer l’évolution de la structure de la matière depuis, dont 85% est de la matière noire. Pour visualiser la présence et la distribution de cette masse mystérieuse, l’équipe de recherche a examiné comment sa gravité affectait la courbure de l’espace-temps entre le CMB et la Terre. Cela a effectivement montré comment de grandes collections de masse (à la fois visibles et invisibles) ont modifié le chemin suivi par sa lumière alors qu’elle parcourait des milliards d’années-lumière (et des milliards d’années) pour nous atteindre.
L’équipe a suivi comment l’attraction gravitationnelle des structures massives de matière noire peut déformer le CMB lors de son voyage de 14 milliards d’années vers nous, tout comme les fenêtres antiques et bosselées se plient et déforment ce que nous pouvons voir à travers elles. La carte résultante a révélé «l’échafaudage» de la matière noire qui contient la matière visible et entoure et relie les galaxies et les amas de galaxies. Cela a conduit à la structure à grande échelle de l’Univers (souvent appelée « Web cosmique »), qui peut être clairement vue sur l’image. La carte rompt également avec les conventions en mesurant la répartition de la matière dans notre Univers, non pas en termes de lumière mais en termes de masse.
Dit le co-auteur Blake Sherwin, titulaire d’un doctorat en 2013. ancien élève de Princeton et professeur de cosmologie à l’Université de Cambridge (où il dirige le groupe de recherche ACT):
“Nous avons cartographié la distribution invisible de la matière noire dans le ciel, et c’est exactement ce que nos théories prédisent. C’est une preuve étonnante que nous comprenons l’histoire de la formation de la structure de notre univers au cours de milliards d’années, depuis juste après le Big Bang jusqu’à aujourd’hui. Remarquablement, 80% de la masse de l’univers est invisible. En cartographiant la distribution de la matière noire dans le ciel aux plus grandes distances, nos mesures de lentille ACT nous permettent de voir clairement ce monde invisible.
“Nous avons créé une nouvelle carte de masse en utilisant les distorsions de la lumière laissées par le Big Bang”, a déclaré Mathew Madhavacheril, professeur adjoint à Princeton, postdoctorant à Princeton de 2016 à 2018 et auteur principal de l’un des articles. « Remarquablement, il fournit des mesures qui montrent que la “grosseté” de l’Univers et la vitesse à laquelle il se développe après 14 milliards d’années d’évolution, sont exactement ce que vous attendez de notre modèle standard de cosmologie basé sur la théorie d’Einstein. de gravité. »
Mark Devlin, professeur d’astronomie Reese Flower à l’Université de Pennsylvanie et directeur adjoint de l’ACT, était l’un des rares chercheurs à avoir vu le potentiel de cette expérience au début des années 2000. “Lorsque nous avons proposé cette expérience en 2003, nous n’avions aucune idée de toute l’étendue des informations pouvant être extraites de notre télescope”, a-t-il déclaré. “Nous le devons à l’ingéniosité des théoriciens, aux nombreuses personnes qui ont construit de nouveaux instruments pour rendre notre télescope plus sensible et aux nouvelles techniques d’analyse mises au point par notre équipe.”
Leurs résultats pourraient également fournir de nouvelles informations sur la soi-disant «crise de la cosmologie», où les mesures de lumière utilisant le CMB par rapport aux étoiles locales produisent des valeurs différentes. Aussi connue sous le nom de “Tension de Hubble”, cette disparité suggère que la matière noire n’était pas assez “grumeleuse” et que le modèle standard de cosmologie (LCDM) peut être incorrect. Cependant, les derniers résultats de l’équipe ACT ont évalué avec précision la taille et la distribution de ces masses et ont déterminé qu’elles étaient parfaitement cohérentes avec le modèle LCDM. Staggs, dont l’équipe a construit les détecteurs qui ont recueilli les données au cours des cinq dernières années, pense que leur nouvelle carte pourrait transformer cette “crise” en opportunité :
“Le CMB est déjà célèbre pour ses mesures inégalées de l’état primordial de l’univers, donc ces cartes de lentilles, décrivant son évolution ultérieure, sont presque une richesse embarrassante. Nous avons maintenant une deuxième carte très primordiale de l’Univers. Au lieu d’une «crise», je pense que nous avons une opportunité extraordinaire d’utiliser ensemble ces différents ensembles de données. Notre carte inclut toute la matière noire, remontant au Big Bang, et les autres cartes remontent à environ 9 milliards d’années, nous donnant une couche beaucoup plus proche de nous. Nous pouvons comparer les deux pour en savoir plus sur la croissance des structures dans l’univers. Je pense que ça va s’avérer vraiment intéressant. Que les deux approches obtiennent des mesures différentes est fascinant.
Alors que l’ACT a été mis hors service en septembre 2022 (après 15 ans de fonctionnement), les données qu’il a recueillies inspirent toujours de nouvelles recherches et avancées. D’autres articles présentant les résultats de l’ensemble final d’observations dans le DR6 sont attendus prochainement, et l’Observatoire Simons effectuera de futures observations à partir du même site. Celles-ci seront effectuées à l’aide d’un nouveau télescope dont le lancement est prévu en 2024 et qui sera capable de cartographier le ciel presque dix fois plus vite que l’ACT. Peut-être pouvons-nous nous attendre à des relevés de tout le ciel qui cartographient la distribution de la matière noire depuis le début du cosmos.
Les versions pré-imprimées des articles ACT peuvent être trouvées ici:
Lectures complémentaires : université de Princeton
