Le “scanner” tridimensionnel de l’Univers réalisé par DESI. La terre se trouve en bas à gauche, regardant plus de 5 milliards d’années-lumière en direction de la constellation de la Vierge. Au fur et à mesure que la vidéo progresse, la perspective s’élargit vers la constellation de la Botes. Chaque point coloré représente une galaxie, qui est elle-même composée de centaines de milliards d’étoiles. La gravité a entraîné les galaxies dans une “toile cosmique” d’amas denses, de filaments et de vides. Crédit : D. Schlegel/Berkeley Lab à partir des données du DESI.
L’instrument spectroscopique de l’énergie sombre (DESI) a terminé les sept premiers mois de sa mission en pulvérisant tous les records précédents en matière d’étude tridimensionnelle des galaxies, créant ainsi la carte la plus grande et la plus détaillée de l’univers jamais réalisée. Pourtant, le satellite n’a accompli que 10 % de sa mission de cinq ans. Une fois achevée, cette carte tridimensionnelle phénoménalement détaillée permettra de mieux comprendre l’énergie sombre et, par conséquent, donnera aux physiciens et aux astronomes une meilleure compréhension du passé – et de l’avenir – de l’univers. En attendant, les performances techniques impressionnantes et les réalisations littéralement cosmiques de l’enquête jusqu’à présent aident les scientifiques à révéler les secrets des sources de lumière les plus puissantes de l’univers.
DESI est une collaboration scientifique internationale gérée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département de l’énergie, dont le financement principal pour la construction et les opérations provient de l’Office of Science du département de l’énergie.
Les scientifiques de DESI présentent les performances de l’instrument et certains résultats astrophysiques préliminaires cette semaine lors d’un séminaire en ligne organisé par le Berkeley Lab, appelé CosmoPalooza, qui comprendra également des mises à jour d’autres expériences cosmologiques de pointe.
“Il y a beaucoup de beauté dans tout cela”, a déclaré Julien Guy, un scientifique du Berkeley Lab, l’un des intervenants. “Dans la distribution des galaxies sur la carte 3D, il y a d’énormes amas, filaments et vides. Ce sont les plus grandes structures de l’univers. Mais en leur sein, on trouve une empreinte de l’univers très précoce, et l’histoire de son expansion depuis lors.”
DESI a parcouru un long chemin pour en arriver là. Proposée à l’origine il y a plus de dix ans, la construction de l’instrument a débuté en 2015. Il a été installé au télescope de 4 mètres Nicholas U. Mayall de l’Observatoire national de Kitt Peak, près de Tucson, en Arizona. L’observatoire national de Kitt Peak est un programme du NOIRLab de la National Science Foundation (NSF), avec lequel le ministère de l’Énergie passe un contrat pour exploiter le télescope Mayall dans le cadre de l’enquête DESI. L’instrument a vu sa première lumière à la fin de 2019. Puis, pendant sa phase de validation, la pandémie de coronavirus a frappé, arrêtant le télescope pendant plusieurs mois, bien que certains travaux se soient poursuivis à distance. En décembre 2020, DESI a de nouveau tourné ses yeux vers le ciel, testant son matériel et ses logiciels, et en mai 2021, il était prêt à commencer son étude scientifique.
Une tranche de la carte 3D des galaxies de l’étude Sloan Digital Sky Survey terminée.
Une tranche de la carte tridimensionnelle des galaxies obtenue au cours des premiers mois d’utilisation du Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI ; à droite). La terre est au centre, les galaxies les plus éloignées se trouvant à plus de 10 milliards d’années-lumière. Chaque point représente une galaxie. Cette tranche 2D de la carte 3D du DESI ne montre qu’environ 800 000 des 7,5 millions de galaxies actuellement étudiées, ce qui ne représente qu’une fraction des 35 millions de galaxies qui figureront sur la carte finale. Crédit : D. Schlegel/Berkeley Lab à partir des données de DESI.
Mais le travail sur DESI lui-même ne s’est pas arrêté après le début de l’enquête. “C’est un travail constant qui se poursuit pour que cet instrument soit performant”, a déclaré le physicien Klaus Honscheid de l’université d’État de l’Ohio, co-scientifique de l’instrument sur le projet, qui présentera le premier article de la session DESI de CosmoPalooza. Honscheid et son équipe s’assurent que l’instrument fonctionne de manière fluide et automatique, idéalement sans aucune intervention pendant une nuit d’observation. “Le retour que j’ai des observateurs de nuit est que les quarts de travail sont ennuyeux, ce que je prends comme un compliment”, a-t-il déclaré.
Mais cette productivité monotone exige un contrôle incroyablement détaillé de chacun des 5000 robots de pointe qui positionnent les fibres optiques sur l’instrument DESI, en veillant à ce que leurs positions soient précises à 10 microns près. “Dix microns, c’est minuscule”, dit Honscheid. “C’est moins que l’épaisseur d’un cheveu humain. Et vous devez positionner chaque robot pour recueillir la lumière de galaxies situées à des milliards d’années-lumière. Chaque fois que je pense à ce système, je me demande comment nous avons pu le réaliser. Le succès de DESI en tant qu’instrument est quelque chose dont nous pouvons être très fiers.de.”
Voir les vraies couleurs de l’énergie noire
Ce niveau de précision est nécessaire pour accomplir la tâche principale de l’étude : recueillir des images détaillées du spectre de couleurs de millions de galaxies sur plus d’un tiers du ciel entier. En décomposant la lumière de chaque galaxie en son spectre de couleurs, DESI peut déterminer dans quelle mesure la lumière a été décalée vers le rouge, c’est-à-dire étirée vers l’extrémité rouge du spectre par l’expansion de l’univers pendant les milliards d’années qu’elle a parcourues avant d’atteindre la Terre. Ce sont ces décalages vers le rouge qui permettent à DESI de voir la profondeur du ciel.
En général, plus le spectre d’une galaxie est décalé vers le rouge, plus elle est éloignée. Avec une carte 3D du cosmos en main, les physiciens peuvent cartographier les amas et superamas de galaxies. Ces structures portent les échos de leur formation initiale, lorsqu’elles n’étaient que des ondulations dans le cosmos naissant. En extrayant ces échos, les physiciens peuvent utiliser les données de DESI pour déterminer l’histoire de l’expansion de l’univers.
Un nouveau quasar découvert grâce à DESI donne un aperçu de l’univers tel qu’il était il y a près de 13 milliards d’années, moins d’un milliard d’années après le Big Bang. Il s’agit du quasar le plus lointain découvert avec DESI à ce jour, à partir d’une sélection de quasars DESI à très haut décalage vers le rouge. L’arrière-plan montre ce quasar et ses environs dans les relevés d’imagerie de DESI Legacy. Crédit : Jinyi Yang, Observatoire Steward/Université de l’Arizona.
“Notre objectif scientifique est de mesurer l’empreinte des ondes dans l’univers primordial. plasmaexplique Guy. “C’est stupéfiant que nous puissions réellement détecter l’effet de ces ondes des milliards d’années plus tard, et si tôt dans notre enquête.”
Comprendre l’histoire de l’expansion est crucial, avec rien de moins que le destin de l’univers entier en jeu. Aujourd’hui, environ 70 % du contenu de l’univers est constitué d’énergie noire, une forme d’énergie mystérieuse qui entraîne l’expansion de l’univers toujours plus rapidement. Au fur et à mesure de l’expansion de l’univers, davantage d’énergie noire apparaît, ce qui accélère encore l’expansion, dans un cycle qui fait grimper la proportion d’énergie noire dans l’univers. L’énergie sombre déterminera en fin de compte le destin de l’univers : s’étendra-t-il à jamais ? S’effondrera-t-il à nouveau sur lui-même, dans un Big Bang à l’envers ? Ou va-t-elle se déchirer ? Pour répondre à ces questions, il faut en savoir plus sur la façon dont l’énergie sombre s’est comportée dans le passé – et c’est exactement ce que DESI est conçu pour faire. En comparant l’histoire de l’expansion à celle de la croissance, les cosmologistes peuvent vérifier si la théorie de la relativité générale d’Einstein est valable sur ces immenses étendues d’espace et de temps.
Trous noirs et galaxies brillantes
Mais pour comprendre le destin de l’univers, il faudra attendre que DESI ait terminé une plus grande partie de son étude. En attendant, DESI est déjà à l’origine de percées dans notre compréhension du passé lointain, il y a plus de 10 milliards d’années, lorsque les galaxies étaient encore jeunes.
“C’est assez incroyable”, a déclaré Ragadeepika Pucha, étudiante diplômée en astronomie à l’université d’Arizona, qui travaille sur DESI. “DESI nous en dira plus sur la physique de la formation et de l’évolution des galaxies”.
Pucha et ses collègues utilisent les données de DESI pour comprendre le comportement des trous noirs de masse intermédiaire dans les petites galaxies. On pense que d’énormes trous noirs habitent le cœur de presque toutes les grandes galaxies, comme la nôtre. Voie lactée. Mais on ignore encore si les petites galaxies contiennent toujours leurs propres trous noirs (plus petits) en leur cœur. Les trous noirs seuls peuvent être presque impossibles à trouver, mais s’ils attirent suffisamment de matière, ils deviennent plus faciles à repérer. Lorsque du gaz, de la poussière et d’autres matériaux tombent dans les trous noirs, il est plus facile de les repérer. trou noir se réchauffent (à des températures supérieures à celles du cœur d’une étoile), un noyau galactique actif (NGA) se forme. Dans les grandes galaxies, les NAG sont parmi les objets les plus brillants de l’univers connu. Mais dans les petites galaxies, les NAG peuvent être beaucoup plus faibles et plus difficiles à distinguer des étoiles naissantes. Les spectres pris par DESI peuvent aider à résoudre ce problème, et sa grande portée dans le ciel permettra d’obtenir plus d’informations sur les noyaux des petites galaxies que jamais auparavant. Ces noyaux, à leur tour, donneront aux scientifiques des indices sur la façon dont les AGN brillants se sont formés au tout début de l’univers.
Les quasars – une variété de galaxies particulièrement brillantes – comptent parmi les objets les plus brillants et les plus éloignés connus. “J’aime à les considérer comme des lampadaires qui regardent en arrière dans l’histoire de l’univers”, a déclaré Victoria Fawcett, étudiante en astronomie à l’université de Durham, au Royaume-Uni. Les quasars sont d’excellentes sondes de l’univers primitif en raison de leur puissance pure.les données remonteront dans le temps de 11 milliards d’années.
Fawcett et ses collègues utilisent les données DESI pour comprendre l’évolution des quasars eux-mêmes. On pense que les quasars sont d’abord entourés d’une enveloppe de poussière, qui rougit la lumière qu’ils émettent, comme le soleil à travers la brume. En vieillissant, ils chassent cette poussière et deviennent plus bleus. Mais il a été difficile de tester cette théorie, en raison de la rareté des données sur les quasars rouges. DESI est en train de changer cela, en trouvant plus de quasars que n’importe quelle étude précédente, avec une estimation de 2,4 millions de quasars attendus dans les données finales de l’étude.
“DESI est vraiment formidable parce qu’il détecte des objets beaucoup plus faibles et beaucoup plus rouges”, a déclaré Fawcett. Cela, ajoute-t-elle, permet aux scientifiques de tester des idées sur l’évolution des quasars qui ne pouvaient pas être testées auparavant. Et cela ne se limite pas aux quasars. “Nous trouvons un grand nombre de systèmes exotiques, y compris de grands échantillons d’objets rares que nous n’avons jamais pu étudier en détail auparavant”, a déclaré Mme Fawcett.
DESI n’a pas fini de faire parler d’elle. L’étude a déjà catalogué plus de 7,5 millions de galaxies et en ajoute plus d’un million par mois. Rien qu’en novembre 2021, DESI a catalogué les décalages vers le rouge de 2,5 millions de galaxies. D’ici la fin de son fonctionnement en 2026, DESI devrait avoir plus de 35 millions de galaxies dans son catalogue, permettant une énorme variété de recherches en cosmologie et en astrophysique.
“Toutes ces données sont là et n’attendent que d’être analysées”, a déclaré M. Pucha. “Et alors nous trouverons tant de choses étonnantes sur les galaxies. Pour moi, c’est passionnant.”
DESI est soutenu par le DOE Office of Science et par le National Energy Research Scientific Computing Center, une installation d’utilisateur du DOE Office of Science. DESI bénéficie également du soutien de la National Science Foundation des États-Unis, du Science and Technologies Facilities Council du Royaume-Uni, de la Gordon and Betty Moore Foundation, de la Heising-Simons Foundation, du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) de France, du Conseil national de la science et de la technologie du Mexique, du ministère de l’Économie d’Espagne et des institutions membres de DESI.
La collaboration DESI est honorée d’être autorisée à mener des recherches scientifiques sur Iolkam Du’ag (Kitt Peak), une montagne ayant une signification particulière pour la Nation Tohono O’odham.
