Don Lincoln est chercheur principal au Fermilab du département américain de l'Énergie, la plus grande institution de recherche sur les grands collisionneurs de hadrons du pays. Il écrit également sur la science pour le public, y compris son récent "Le grand collisionneur de hadrons: l'histoire extraordinaire du boson de Higgs et d'autres choses qui vous épateront"(Johns Hopkins University Press, 2014). Vous pouvez le suivre surFacebook. Lincoln a contribué cet article à Live Science'sVoix d'experts: Op-Ed & Insights.
Tant que nous avons tenu des registres, l'humanité s'est émerveillée du ciel nocturne. Nous avons regardé les cieux pour déterminer la volonté des dieux et nous interroger sur le sens de tout cela. Les 5 000 étoiles que nous pouvons voir à l'œil nu sont les compagnons de l'humanité depuis des millénaires.
Les installations astronomiques modernes nous ont montré que l'univers ne se compose pas seulement de milliers d'étoiles - il se compose de centaines de milliards d'étoiles dans notre seule galaxie, avec des milliards de galaxies. Les observatoires nous ont appris la naissance et l'évolution de l'univers. Et, le 3 août, une nouvelle installation a fait sa première annonce de fond et a ajouté à notre compréhension du cosmos. Cela nous permet de voir l'invisible, et cela montre que la distribution de la matière dans l'univers diffère un peu des attentes.
Le Dark Energy Survey (DES) est une collaboration d'environ 400 scientifiques qui se sont lancés dans une mission de cinq ans pour étudier des galaxies lointaines afin de répondre à des questions sur l'histoire de l'univers. Il utilise la caméra à énergie sombre (DEC) fixée au télescope Victor M. Blanco de 4 mètres à l'observatoire interaméricain Cerro Tololo dans les Andes chiliennes. Le DEC a été assemblé aux États-Unis au Fermilab près de Batavia, Illinois, et est un appareil photo de 570 mégapixels capable d'imager des galaxies si loin que leur lumière est un millionième aussi brillante que les étoiles visibles les plus faibles.
Énergie sombre et matière noire
Le DES est à la recherche de l'énergie sombre, qui est un champ d'énergie proposé dans l'univers qui est une forme répulsive de gravité. Alors que la gravité exerce une attraction irrésistible, l'énergie sombre pousse l'univers à se développer à un rythme toujours croissant. Son effet a été observé pour la première fois en 1998, et nous avons encore de nombreuses questions sur sa nature.
Cependant, en mesurant l'emplacement et la distance de 300 millions de galaxies dans le ciel nocturne du sud, l'enquête sera en mesure de faire des déclarations importantes sur un autre mystère astronomique, appelé matière noire. On pense que la matière noire est cinq fois plus répandue dans l'univers que la matière ordinaire. Pourtant, il n'interagit pas avec la lumière, les ondes radio ou toute autre forme d'énergie électromagnétique. Et il ne semble pas se rassembler pour former de grands corps comme des planètes et des étoiles.
Il n'y a aucun moyen de voir directement la matière noire (d'où le nom). Cependant, ses effets peuvent être observés indirectement en analysant la vitesse de rotation des galaxies. Si vous calculez les vitesses de rotation supportées par la masse visible des galaxies, vous découvrirez qu'elles tournent plus rapidement qu'elles ne le devraient. Par tous les droits, ces galaxies devraient être déchirées. Après des décennies de recherche, les astronomes ont conclu que chaque galaxie contient de la matière noire, ce qui génère la gravité supplémentaire qui maintient les galaxies ensemble.
Matière noire dans l'univers
Cependant, à une échelle beaucoup plus grande de l'univers, l'étude des galaxies individuelles n'est pas suffisante. Une autre approche est nécessaire. Pour cela, les astronomes doivent utiliser une technique appelée lentille gravitationnelle.
La lentille gravitationnelle a été prédite en 1916 par Albert Einstein et a été observée pour la première fois par Sir Arthur Eddington en 1919. La théorie de la relativité générale d'Einstein dit que la gravité que nous expérimentons est vraiment causée par la courbure de l'espace-temps. Puisque la lumière se déplace en ligne droite à travers l'espace, si l'espace-temps est courbé, elle ressemblera à un observateur comme si la lumière parcourait un chemin incurvé à travers l'espace.
Ce phénomène peut être exploité pour étudier la quantité et la distribution de matière noire dans l'univers. Les scientifiques qui regardent une galaxie éloignée (appelée la galaxie cristalline), qui a une autre galaxie encore plus loin derrière elle (appelée la galaxie observée), peuvent voir une image déformée de la galaxie observée. La distorsion est liée à la masse de la galaxie cristalline. Parce que la masse de la galaxie lenticulaire est une combinaison de matière visible et de matière noire, la lentille gravitationnelle permet aux scientifiques d'observer directement l'existence et la distribution de la matière noire à des échelles aussi grandes que l'univers lui-même. Cette technique fonctionne également lorsqu'un grand amas de galaxies de premier plan déforme les images d'amas de galaxies encore plus éloignées, qui est la technique utilisée pour cette mesure.
Grumeleux ou pas?
La collaboration DES a récemment publié une analyse utilisant exactement cette technique. L'équipe a examiné un échantillon de 26 millions de galaxies à quatre distances différentes de la Terre. Les galaxies les plus proches ont cristallisé celles qui étaient plus éloignées. En utilisant cette technique et en examinant attentivement la distorsion des images de toutes les galaxies, ils ont pu cartographier la distribution de la matière noire invisible et comment elle s'est déplacée et s'est agglomérée au cours des 7 milliards d'années écoulées, soit la moitié de la durée de vie de la univers.
Comme prévu, ils ont découvert que la matière noire de l'univers était "grumeleuse". Cependant, il y avait une surprise - c'était un peu moins grumeleux que les mesures précédentes l'avaient prévu.
L'une de ces mesures contradictoires provient du signal radioélectrique résiduel du premier temps après le Big Bang, appelé le fond micro-ondes cosmique (CMB). Le CMB contient en lui la distribution de l'énergie dans le cosmos quand elle avait 380 000 ans. En 1998, la collaboration Cosmic Background Explorer (COBE) a annoncé que le CMB n'était pas parfaitement uniforme, mais avait plutôt des points chauds et froids qui différaient de l'uniforme de 1 partie sur 100 000. Les satellites Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) et Planck ont confirmé et affiné les mesures COBE.
Au cours des 7 milliards d'années entre l'émission du CMB et la période étudiée par le DES, ces régions plus chaudes de l'univers ont semé la formation de la structure du cosmos. La distribution d'énergie non uniforme capturée dans le CMB, combinée à la force de gravité amplificatrice, a rendu certaines taches dans l'univers plus denses et d'autres moins. Le résultat est l'univers que nous voyons autour de nous.
Le CMB prédit la distribution de la matière noire pour une raison simple: la distribution de la matière dans notre univers dans le présent dépend de sa distribution dans le passé. Après tout, s'il y avait un amas de matière dans le passé, cette matière attirerait la matière à proximité et l'agglomération augmenterait. De même, si nous projetions dans un avenir lointain, la distribution de la matière aujourd'hui affecterait celle de demain pour la même raison.
Ainsi, les scientifiques ont utilisé des mesures du CMB à 380 000 ans après le Big Bang pour calculer à quoi devrait ressembler l'univers 7 milliards d'années plus tard. Lorsqu'ils ont comparé les prévisions aux mesures du DES, ils ont constaté que les mesures du DES étaient un peu moins grumeleuses que les prévisions.
Image incomplète
Est-ce une grosse affaire? Peut être. L'incertitude, ou l'erreur, dans les deux mesures est suffisamment grande pour que cela signifie qu'ils ne sont pas en désaccord d'une manière statistiquement significative. Cela signifie simplement que personne ne peut être sûr que les deux mesures sont vraiment en désaccord. Il se pourrait que les écarts résultent par hasard des fluctuations statistiques des données ou de petits effets instrumentaux qui n'ont pas été pris en compte.
Même les auteurs de l'étude suggèrent la prudence ici. Les mesures DES n'ont pas encore été revues par des pairs. Les articles ont été soumis pour publication et les résultats ont été présentés lors de conférences, mais les conclusions définitives devraient attendre que les rapports des arbitres arrivent.
Alors, quel est l'avenir? Le DES a une mission de cinq ans, dont quatre années de données ont été enregistrées. Le résultat récemment annoncé utilise uniquement les données de la première année. Des données plus récentes sont toujours en cours d'analyse. De plus, l'ensemble complet de données couvrira 5 000 degrés carrés du ciel, tandis que le résultat récent ne couvre que 1 500 degrés carrés et ne se situe qu'à la moitié du temps. Ainsi, l'histoire n'est clairement pas complète. Une analyse de l'ensemble des données ne sera pas attendue avant 2020 peut-être.
Pourtant, les données recueillies aujourd'hui pourraient déjà signifier qu'il existe une tension possible dans notre compréhension de l'évolution de l'univers. Et, même si cette tension disparaît à mesure que davantage de données sont analysées, la collaboration DES continue de faire d'autres mesures. N'oubliez pas que les lettres "DE" dans le nom représentent l'énergie sombre. Ce groupe sera éventuellement en mesure de nous dire quelque chose sur le comportement de l'énergie sombre dans le passé et ce que nous pouvons nous attendre à voir à l'avenir. Cette mesure récente n'est que le tout début de ce qui devrait être un moment fascinant sur le plan scientifique.
Cette version de l'article a été initialement publiée sur Live Science.
