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La lumière des quasars livre la plus grande carte de l'univers lointain

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Par Laurent Sacco, Futura

La plus grande carte en 3D de l’univers lointain est en train d’être constituée grâce aux observations du Sloan Digital Sky Survey III. Une première version, incomplète, vient d’être révélée, montrant la répartition de l’hydrogène intergalactique il y a environ 10 milliards d’années, grâce à la lumière émise par 14.000 quasars. De quoi tester les théories sur l’énergie noire.

Le SDSS-III Baryon Oscillation spectroscopiques Survey(Boss) cartographie la distribution spatiale des galaxies lumineuses rouges (GRL) et des quasars afin de mesurer les caractéristiques des oscillations baryoniques acoustiques (BAO) dans l'univers primitif. Les ondes sonores qui se propageaient alors dans l'univers primitif, comme des vaguelettes dans un étang, ont laissé des empreintes dans les fluctuations de températures du rayonnement traduisant des fluctuations de densité. Ces fluctuations ont évolué pour former aujourd’hui les murs et les vides observés dans la répartition des galaxies. L’image d’artiste ci-dessus illustre les traces des BAO dans le rayonnement fossile et la répartition des galaxies. © Chris Blake et Sam Moorfield

Lorsque l'univers n'était âgé que de quelques minutes à environ 380.000 ans, il était constitué d'un plasma chaud de noyaux et d'électrons, baignant dans un gaz de photons et de neutrinos. L'énergie noire ne dominait pas encore son expansion mais la matière noire était déjà là. Elle dominait comme aujourd'hui la composante baryonique de la matière composée pour l'essentiel de noyaux d'hydrogène et d'hélium avec des traces de deutérium, de lithium et de béryllium. Le gaz de baryon était parcouru par des ondes sonores, lesquelles modifiaient sa densité et sa température, ce qui laissait à jamais des traces sous forme d'anisotropies des fluctuations de températures du rayonnement fossile.

L'existence de ces ondes sonores a laissé d'autres traces, dans la façon dont les galaxies se regroupent en amas et pour former des structures à grandes échelles. De même que l'étude des anisotropies de température du rayonnement fossile nous donne des renseignements sur les paramètres cosmologiques de l'univers observable (son âge, sa géométrie, son contenu en matière noire etc.), l'étude des oscillations acoustiques des baryons (BAO, baryon acoustic oscillations en anglais) au moyen de la répartition des galaxies est porteuse d'informations cosmologiques. Elle est particulièrement adaptée à l'étude de l'énergie noire et de ses caractéristiques, notamment dans les premiers milliards d'années de l'existence de l'univers observable. C'est un bon complément des observations faites avec les supernovae, qui ont, les premières, permis de découvrir l'existence de l'énergie noire et du rayonnement fossile lui-même.

Boss, un programme pour étudier le son du Big Bang

La répartition des galaxies et leur tendance à se rassembler en amas et superamas n'est pas la seule façon de mesurer les caractéristiques des BAO. En effet, ces oscillations se retrouvent aussi dans la répartition du gaz d'hydrogène primordial qui s'est effondré localement dans des zones de surdensité pour donner étoiles et galaxies.

Une coupe en 2D de la carte en 3D fournie par une année d'observation avec le Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (Boss). Les points noirs sont des galaxies situées autour de la Voie lactée jusqu'à une distance de 7 milliards d'années-lumière environ. La zone colorée correspond elle à la répartition en densités de l'hydrogène neutre intergalactique situé à plus de 10 milliards d'années-lumière. La zone blanche correspond aux limites des observations actuelles avec les instruments de Boss. © Anže Slosar, Boss Lyman-alpha cosmology working group

Ces deux fenêtres d'observation, répartition des galaxies et répartition de l'hydrogène primordial intergalactique, font l'objet des études menées dans le cadre du Sloan Digital Sky Survey (ou SDSS). Il s'agit d'un programme de relevé des objets célestes, utilisant un télescope optique de 2,5 mètres de diamètre situé à l'observatoire d'Apache Point, et démarré en 2000. Ce programme porte le nom de la fondation Alfred P. Sloan. Il a pour but de cartographier 25 % du ciel et d'enregistrer les informations relatives à plus de 100 millions d'objets célestes. Aujourd'hui on en est à l'étape dite de SDSS III. Plus précisément, la part de SDSS qui est consacrée aux BAO se nomme Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (Boss).

Les cosmologistes impliqués dans Boss viennent de publier sur Arxiv les résultats de leurs travaux concernant la première année de la campagne d'observation. En utilisant la lumière de 14.000 quasars situés à plus de 10 milliards d'années-lumière de la Voie lactée, ils ont pu dresser la plus grande carte 3D de l'univers lointain à ce jour. Elle montre la répartition de l'hydrogène intergalactique dans le passé lointain du cosmos. Pour cela ils ont observé les forêts Lyman-alpha liées à ces quasars, celles que l'on utilise par exemple pour mesurer la température de l'univers, il y a 11 milliards d'années.

La raie d'absorption Lyman-alpha, une clé pour l'énergie noire

Rappelons que la raie d'absorption Lyman alpha est le nom d'une transition atomique dans l'atome d'hydrogène. Lorsque de la lumière traverse un grand nuage d'atome d'hydrogène neutre, il se produit une absorption dont l'intensité est liée à la densité du nuage. Du fait du décalage spectral vers le rouge produit par l'expansion de l'univers observable, une série de nuages d'hydrogène intercalés entre un quasar et un observateur sur Terre va donner lieu à des raies Lyman-alpha qui apparaîtront avec des décalages vers le rouge différents, fonction de la distance de ces nuages. Il apparaît donc dans le spectre du quasar toute une série de raies d'absorption très proches les unes des autres, une forêt Lyman-alpha.

Un zoom sur la répartition de l'hydrogène neutre dans l'univers il y a plus de 10 milliards d'années. En rouge les zones de surdensités et en bleu les zones de sousdensités. En bas à droite, la barre indique une distance de 1 milliard d'années-lumière. © Anže Slosar, Boss Lyman-alpha cosmology working group

Toutes les observations de Boss sont importantes pour contraindre les modèles théoriques de l'énergie noire.

On sait que l'expansion de l'univers n'est pas notable à l'intérieur d'un amas de galaxies mais une modification de la vitesse de l'expansion de l'univers peut influencer la façon dont les amas de galaxies se forment et évoluent au cours du temps. En mesurant l'évolution des traces des BAO dans la répartition des galaxies et des nuages d'hydrogène intergalactiques primordiaux, on peut donc en théorie remonter à cette modification. Comme celle-ci n'est pas la même selon que l'énergie noire est une vraie constante cosmologique ou bien l'effet, par exemple, de champs scalaires lentement variables dans le temps, on peut espérer en savoir plus sur la nature de l'énergie noire et enfin sur le futur de l’univers.

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