Des astronomes établissent la plus vaste carte de l'Univers à ce jour

Les quasars sont des sources de lumière incroyablement brillantes et lointaines, alimentées par des trous noirs super-massifs. Lorsque de la matière et de l’énergie tombent dans le trou noir, elles s’échauffent à des températures inconcevables et commencent à briller d’une luminosité extraordinaire. En observant cette lumière cosmique, les scientifique du Sloan Digital Sky Survey (SDSS), projet multi-institutionnel qui comprend l’EPFL, ont construit la plus grande carte de l’Univers distant à ce jour. Ce travail est publié dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (prébublication).

Les quasars sont des trous noirs super-massifs au centre de galaxies, qui émettent de gigantesques quantités d’énergie électromagnétique. «Puisque les quasars sont si lumineux, nous pouvons les voir à travers tout l’univers», dit Ashley Ross (Ohio State University), co-leader de l’étude. «Cela fait d’eux des objets idéaux pour élaborer la plus grande carte à ce jour.»

«Ces quasars sont si lointains que leur lumière les a quittés alors que l’Univers avait entre 3 et 7 milliards d’années, longtemps avant que la Terre n’existe», ajoute Gongbo Zhao, de l’Observatoire astronomique national de Chine, l’autre co-leader de l’étude.

Pour construire la carte, les scientifiques se sont servis des télescopes du SDSS, au Nouveau-Mexique, pour mesurer les positions 3D précises d’un échantillon jamais atteint de plus de 147'000 quasars. Ce travail a été réalisé pendant les deux premières années du l’Extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), l’un des éléments des projets de recherche du DSS conduit par Jean-Paul Kneib à l’EPFL. Les observations du SDSS ont fourni aux astronomes les distances des quasars, qu’ils ont utilisées pour localiser leur position dans une carte 3D.

Mais les scientifiques ne se sont pas arrêtés là. Ils voulaient comprendre l’histoire de l’expansion de l’Univers. Pour cela, ils ont franchi une étape supplémentaire, en utilisant une technique intelligente qui implique les oscillations acoustiques de baryons (BAO). Ce sont les empreintes contemporaines d’ondes sonores qui ont voyagé à travers l’Univers primordial, alors qu’il était beaucoup plus chaud et dense qu’il ne l’est aujourd’hui. Mais lorsque l’Univers atteignit l’âge de 380'000 ans, les conditions ont soudainement changé et les ondes sonores furent «gelées» sur place, imprimées dans la structure 3D de l’Univers tel que nous le voyons aujourd’hui.

Le processus qui produisit ces BAO figées est simple, ce qui signifie que les scientifiques peuvent se faire une très bonne idée de ce à quoi les BAO devaient ressembler dans l’Univers primordial. Aussi, lorsque nous observons la structure 3D de l’Univers actuel, il contient ces anciennes BAO, mais étirées massivement par l’expansion de l’Univers.

Les astronomes ont utilisé la taille observée d’une BAO comme «règle standard» pour mesurer les distances dans leur carte 3D, à la manière dont nous pouvons estimer la longueur d’un terrain de football en mesurant l’angle apparent d’une règle de mesure sur un côté. «Vous avez les mètres pour les petites unités de longueur, les kilomètres ou les miles pour les distances entre les villes, nous avons l’échelle BAO pour les distances entre galaxies et quasars en cosmologie», dit Pauline Zarrouk, doctorante à l’Irfu/CEA (Université de Paris-Saclay) qui a mesuré l’échelle BAO projetée.

En remontant le temps, les astronomes du SDSS ont couvert une plage de périodes de temps jamais observée auparavant. L’étude a mesuré les conditions lorsque l’Univers n’était âgé que de 3 à 7 milliards d’années, plus de 2 milliards d’années avant que la Terre ne se forme.

«Les résultats de notre étude confirment le Modèle Standard de la cosmologie. Selon celui-ci, l’Univers suit les prédictions de la Théorie générale de la relativité d’Einstein, mais comprend des composantes de la «matière sombre » et la mystérieuse «énergie sombre», qui est nécessaire pour expliquer l’expansion accélérée de l’Univers », précise Jean-Paul Kneib.

L’expérience eBOSS continue avec le télescope du SDSS. Dans la mesure où les astronomes de eBOSS observent de nouveaux quasars et des galaxies proches, la taille de leur carte 3D va continuer à s’étendre. Et lorsque eBOSS sera achevé, une nouvelle génération de Sky Survey commencera, comprenant le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) et la mission du satellite Euclide de l’Agence spatiale européenne, deux projets dont l’EPFL est également partenaire. Ces efforts vont accroître la précision des cartes d’un facteur dix par rapport à eBOSS, révélant l’Univers et l’énergie sombre à un niveau de détail sans précédent.

LEGENDE : Une coupe à travers la plus grande carte jamais réalisée de l’Univers. La Terre est à gauche, et la distances par rapport aux galaxies et aux quasars est exprimée soit en termes de redshift (en-haut), ou d’âge de l’Univers lorsque la lumière a quitté ces objets (en-bas). La localisation des quasars (des galaxies comprenant des trous noirs super-massifs) sont figurées par des points rouges, et des galaxies plus proches, et de moindre magnitude cartographiées par le SDSS, sont également représentées (en jaune). Puisque eBOSS va continuer à étudier le ciel au cours des trois prochaines années, les régions vides se rempliront de davantage de galaxies et de quasars. Credit: SDSS.