Les premiers résultats du relevé cartographique BOSS, dont l’un des buts est de mieux comprendre l’évolution de l’Univers et les propriétés de l’énergie noire, viennent d’être présentés.
Rappelons que la plus importante découverte récente en cosmologie est l’accélération de l’expansion de l’Univers. D’après l’explication la plus commune, cette accélération serait due à une propriété fondamentale de l’espace appelée l’énergie noire qui s’exprime sous la forme d’une force de répulsion. Mais d’autres explications possibles ont été avancées, en particulier la possibilité que la relativité générale d’Einstein ne soit pas correcte et que la force de gravité soit répulsive à grande échelle.
Les oscillations acoustiques baryoniques
Pendant quelques centaines de milliers d’années après le Big Bang, l’Univers était rempli d’un plasma de baryons (protons et neutrons) et de photons qui étaient en interaction permanente. L’Univers était très uniforme, mais contenait de minuscules variations de densité. La gravité invitait les zones de plus forte densité à grandir en accumulant plus de matière, mais l’énergie des interactions baryons-photons créait une pression qui s’opposait à l’influence de la gravité.
La lutte entre la gravité et la pression provoquait des oscillations dans le plasma, donc des ondes acoustiques similaires à des ondes sonores, qui se propageaient à un peu plus de la moitié de la vitesse de la lumière. On les appelle les oscillations acoustiques baryoniques (baryon acoustic oscillations ou BAO en anglais).
Les variations de densité primordiales sont visibles dans les images du rayonnement fossile qui date de 380.000 ans après le Big Bang. Après le découplage rayonnement-matière, les ondes acoustiques se turent, mais les variations de densité donnèrent naissance à la structure à grande échelle de l’Univers, avec ses filaments et ses murs formés d’amas de galaxies et séparés par d’énormes vides.
Les oscillations acoustiques baryoniques ont laissé une trace dans cette structure à grande échelle. Lorsque l’on analyse la distribution d’un grand nombre de galaxies et que l’on trace un graphe de la distance moyenne entre les galaxies, on aperçoit un maximum de probabilité autour de 500 millions d’années-lumière. Deux galaxies prises au hasard ont donc plus de chances d’être séparées de 500 millions d’années-lumière que de 400 ou de 600 millions par exemple.
Cette propriété des galaxies est un résultat direct de la présence des oscillations acoustiques baryoniques après le Big Bang et la valeur du maximum est fonction de la quantité d’énergie noire présente dans l’Univers, d’où l’intérêt de l’étudier. Mais pour pouvoir déterminer avec précision la valeur du pic de séparation, il faut analyser un grand nombre de galaxies et mesurer leur distance avec précision.
Le relevé cartographique BOSS
Le relevé cartographique BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) est l’un des quatre projets du programme SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey). Le but est de prendre le spectre d’un million de galaxies sur une période de six ans et de construite la carte la plus précise de l’Univers.
Le programme SDSS-III est en opération au télescope de 2.5 mètres de l’observatoire d’Apache Point au Nouveau Mexique. Le télescope contient deux éléments : une caméra qui permet de sélectionner des cibles et un spectrographe qui permet d’analyser le spectre d’un millier de cibles en une seule observation, une performance qui lui permettra d’atteindre le million de galaxies sur six ans.
Les résultats annoncés récemment proviennent d’une année et demie d’observations de 250.000 galaxies. Elles ont permis de créer une carte de l’Univers qui contient des galaxies si lointaines que nous pouvons observer la structure à grande échelle il y a six milliards d’années. Cette période est cruciale car elle marque le moment où l’énergie noire est devenue le facteur le plus déterminant de l’expansion. Ces observations confirment la présence d’un pic de séparation avec une précision inégalée et permettent de raffiner notre compréhension des différents composants de l’Univers.
L’échelle des oscillations acoustiques baryoniques représentée par un cercle blanc à différentes époques : il y a 3,8 milliards d’années, il y a 5,5 milliards d’années et il y a 13,7 milliards d’années (dans le rayonnement fossile). Crédit : E.M. Huff, SDSS-III, South Pole Telescope, Z. Rostomian
Les distorsions spatiales du décalage vers le rouge
Les relevés cartographiques permettent d’étudier l’Univers et l’énergie noire d’une deuxième manière : par l’étude des distorsions spatiales du décalage vers le rouge (redshift space distortions ou RDS en anglais).
Les astronomes déterminent la distance des galaxies lointaines en mesurant le décalage vers le rouge de leur spectre et en appliquant la loi de Hubble qui relie distance et vitesse. Les mesures de distance sont donc avant tout des mesures de vitesse. Ceci a un effet un peu subtil lorsque l’on observe les galaxies d’un amas, car la vitesse d’une galaxie à deux éléments : sa vitesse due à l’expansion pure et sa vitesse locale qui représente une chute vers le centre de l’amas.
Si l’on observe une galaxie qui se trouve entre un amas et nous, sa vitesse sera supérieure à la vitesse d’expansion pure à cause de la chute vers le centre de l’amas et la galaxie semblera plus éloignée qu’en réalité. Si l’on observe une galaxie de l’autre côté de l’amas, sa vitesse sera plus faible que la vitesse d’expansion pure et la galaxie apparaîtra plus proche. L’effet global est donc de donner une apparence plus compacte aux amas de galaxies.
Comme la vitesse à laquelle les galaxies doivent tomber vers le centre d’un amas peut être calculée par la relativité générale, des observations précises de la distribution des galaxies constituent un excellent test de cette théorie et de notre compréhension de l’Univers.
L’analyse des 250.000 premières galaxies du relevé BOSS montre un accord excellent entre les observations et les prédictions de la relativité générale prenant en compte la présence d’énergie noire. La relativité générale est donc validée pour la première fois jusqu’à une distance de cent millions d’années-lumière. L’existence de l’énergie noire comme propriété fondamentale de l’espace (plutôt que composée de particules inconnues) est aussi confirmée par ces observations.
Le relevé cartographique BOSS apporte donc déjà des réponses aux questions les plus fondamentales de la cosmologie. Avec l’accumulation de plus de données dans les années qui viennent, ces observations nous permettront de mieux comprendre les propriétés de l’énergie noire et peut-être même de déterminer sa nature.