Une vue du télescope utilisé pour la mission Desi. © 2018 Dark Energy Spectroscopic Instrument
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Desi : l'intelligence artificielle aux 5.000 yeux pour percer les secrets de l'énergie noire

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[EN VIDÉO] Interview : qu'est-ce que l'énergie noire ?  L’univers est en expansion. Si l’on tient compte de la gravité, cette expansion devrait ralentir et pourtant elle semble accélérer au cours du temps. Ce phénomène pourrait être dû à une force étrange : l’énergie noire. Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, explique pour Futura-Sciences ce que recouvre cette étrange notion. 

L'expansion accélérée du cosmos observable est indéniable mais on ne sait pas encore très bien ce qui la cause. Si c'est bien l'énergie noire, la détermination de sa nature est l'un des plus grands défis de l'astrophysique moderne. Pour le relever, les chercheurs se font aider par l'IA dans le cadre d'un programme d'observation et de cartographie du cosmos qui prévoit d'observer environ 35 millions de galaxies sur des milliards d'années.

Depuis la fin des années 1990 nous savons que l'Univers observable est en expansion accélérée depuis quelques milliards d'années alors que le modèle cosmologique en vigueur avant cette fin de millénaire impliquait que cette expansion avait décéléré depuis environ 13 à 14 milliards d'années. Parmi les hypothèses avancées pour rendre compte de cette accélération qui s'exprime dans les équations d'Einstein du champ de gravitation par la présence d'un terme appelé la constante cosmologique, il y a celle où ce terme exprime la présence d'une densité d'énergie exotique baptisée énergie noire (la constante d'Einstein peut très bien ne pas être nulle sans énergie noire mais simplement en supposant qu'on ne peut pas vraiment traiter le cosmos observable comme homogène à suffisamment grande échelle comme on peut le faire pour l'eau, bien qu'elle soit composée de molécules).

Personne ne sait vraiment quelle serait l'origine de l'énergie noire. Deux théories principales sont généralement considérées, celle de l’énergie quantique du vide et celle de l'existence d'un nouveau champ de particules analogue à celui du boson de Brout-Englert-Higgs. Contrairement à la première théorie où l'énergie noire ne peut pas changer dans le temps ni l'espace car étant une manifestation des fluctuations quantiques des champs sous contrôle des fameuses inégalités de Heisenberg, la densité d'énergie de ce nouveau champ, appelé un champ de quintessence en souvenir d'Aristote, peut varier dans l'espace et dans le temps.

Comment percer les secrets de l'énergie noire ? Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Berkeley Lab

L'énergie noire, la clé du destin de l'Univers ?

Si tel est bien le cas, le destin ultime du cosmos ne nous sera pas connu tant que nous ne connaîtrons pas la nature précise de la quintessence. En effet, de répulsive et entraînant donc une accélération de l'expansion, elle pourrait devenir attractive et provoquer dans un futur déterminable un effondrement de l'Univers observable pouvant peut-être (à nouveau ?) conduire à un rebond avec un nouveau Big Bang.

Pour tester toutes ces hypothèses il faut pouvoir mesurer suffisamment précisément, et sur une période d'au moins 12 milliards d'années, les valeurs de la vitesse d'expansion du cosmos observable et c'est ce que les astrophysiciens et cosmologistes ont entrepris de faire avec plusieurs projets dont la mission internationale Desi (Dark Energy Spectroscopic Instrument), menée par l'Université de Berkeley en Californie et qui regroupe 600 chercheurs dont ceux du CEA-Irfu, très impliqués à différents niveaux.

Le CEA vient d'ailleurs de faire savoir, via un communiqué, que ce 17 mai 2021 le télescope de quatre mètres de Desi installé sur le site de Kitt Peak en Arizona avait débuté sa quête des secrets de l'énergie noire et que les données qu'il va collecter concernant les spectres d'environ 35 millions de galaxies sur la voûte céleste allaient être étudiées avec l'aide de l'intelligence artificielle (IA).

L'instrument spectroscopique pour l’énergie noire Desi (Irfu, CEA) a vu sa « première lumière » il y a quelque temps déjà. Il permettra aux chercheurs d’interroger l’évolution de l’Univers et de la confronter à la réalité du modèle standard de la cosmologie. Ce dernier suppose l’existence d’une composante inconnue et jamais directement observée que les chercheurs appellent « énergie noire ». Explications. © CEA Sciences

Ces 35 millions de galaxies ont été sélectionnées sur 200.000 images provenant de 1.405 nuits d'observations de la voûte céleste et sur une population d'environ deux milliards d'objets. La tâche a évidemment demandé l'aide de l'IA qui a travaillé sur la base de critères lui permettant de partir à la recherche de galaxies qu'elle a triées en quatre types correspondant à des époques différentes de l'histoire du cosmos observable, il y a entre 12 et 4 milliards d'années.

Une accélération de l'expansion mesurée avec une erreur de moins de 1 %

L'objectif principal est de mesurer avec une précision inférieure à 1 % la variation au cours du temps de la vitesse d'expansion de l'Univers observable, variation qui dépend de la nature physique de la cause de l'accélération récente de cette expansion. L'un des ingrédients pour y parvenir suppose la mesure du décalage spectral vers le rouge de chacune des 35 millions de galaxies pour la combiner notamment à la façon dont ces galaxies se répartissent en 3D dans le volume d'espace observé, et pendant donc un peu moins de 10 milliards d'années.

Pour cela, Desi disposera automatiquement et successivement des paquets de 5.000 fibres optiques sur l'écran formant les images de ces galaxies. Chaque fibre étant associée à une galaxie, elle conduira la lumière reçue vers un des 10 spectrographes équipant le télescope.

La tâche devrait durer environ cinq ans et les millions de spectres collectés seront donc analysés avec des algorithmes d'apprentissage profond comme ceux utilisés dans les détecteurs du LHC pour identifier et mesurer des événements rares dans le déluge des particules produites par les collisions de protons.

On peut donc espérer que dans quelques années et grâce à l'intelligence artificielle on en saura plus sur la nature de l'énergie noire et peut-être sur l'origine et la destinée du cosmos.

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