Pourquoi l’Univers s’accélère-t-il ?

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Nous savons que notre univers se développe à un rythme accéléré, mais ce qui cause cette croissance reste un mystère. L’explication la plus probable est qu’une force étrange surnommée « énergie noire” la conduit. Maintenant, un nouvel instrument astronomique, appelé la Caméra de Physique de l’Univers Accélérant (PAUCam), cherchera des réponses en cartographiant l’univers de manière innovante.

La caméra, qui enregistrera les positions d’environ 50 000 galaxies à la fois, pourrait également éclairer ce qu’est la matière noire et comment le cosmos a évolué.

Dans les années 1990, des astronomes qui étudiaient les étoiles qui explosaient – les supernovae – dans des galaxies lointaines ont découvert que l’expansion de l’univers s’accélérait. Cela a été une surprise, car les scientifiques de l’époque pensaient que cela ralentissait. Sans solution évidente à portée de main, les scientifiques ont fait valoir qu’il devait y avoir une sorte de force mystérieuse – l’énergie noire – qui séparait l’univers.

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Chronologie de l’univers, en supposant une constante cosmologique. Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

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Avance rapide d’environ deux décennies et nous ne savons toujours pas ce qu’est l’énergie sombre, considérée comme constituant 71% de toute l’énergie de l’univers. Une théorie dit qu’elle peut s’expliquer par une version abandonnée de la théorie de la gravité d’Einstein – connue sous le nom de « constante cosmologique” – qui est une mesure de la densité d’énergie du vide de l’espace. Un autre soutient qu’il est causé par des champs scalaires énigmatiques, qui peuvent varier dans le temps et dans l’espace. Certains scientifiques pensent même qu’un étrange « fluide énergétique” qui remplit l’espace pourrait entraîner l’expansion.

Cartographie du ciel

Bien sûr, la seule façon de le savoir est par l’observation. Après avoir passé six ans sous la conception et la construction d’un consortium d’institutions de recherche espagnoles, PAUCam a été testé avec succès pour la première fois ce mois–ci – voyant la « première lumière” sur le télescope William Herschel de 4,2 mètres sur La Palma aux îles Canaries.

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En utilisant les informations capturées par PAUCam, une équipe internationale, comprenant des chercheurs de l’Institute for Computational Cosmology de l’Université de Durham, est en cours de création pour construire une carte unique de la façon dont les galaxies sont disposées dans l’univers.

Une telle carte contiendra de nouvelles informations détaillées sur les nombres de base qui régissent le destin de l’univers; son expansion et sur la façon dont les galaxies elles-mêmes ont été fabriquées. La carte révélera l’étendue des structures dans la distribution des galaxies. Ces structures se développent en raison de la gravité – si l’expansion de l’univers s’accélère, il est plus difficile pour la gravité de rassembler la matière pour construire ces structures. Connaître la force de la gravité et mesurer la taille des structures dans la distribution des galaxies peut donc nous aider à déduire l’histoire de l’expansion de l’univers.

Les astronomes peuvent cartographier les positions des galaxies dans le ciel en prenant des images ou des photographies. Ce sont des positions projetées et ne nous dites donc pas la distance à une galaxie de la Terre. Une galaxie peut sembler très faible parce qu’elle est à une grande distance de nous ou simplement parce qu’elle est à proximité, mais elle est intrinsèquement faible avec peu d’étoiles brillantes.

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Traditionnellement, les astronomes ont utilisé la spectroscopie pour mesurer la distance à une galaxie. Cette technique fonctionne en capturant la lumière de la galaxie et en la répartissant dans un spectre en fonction de ses longueurs d’onde. De cette façon, ils peuvent étudier le motif des lignes émises par les différents éléments des étoiles qui composent la galaxie. Plus la galaxie est éloignée, plus l’expansion de l’univers déplace ces lignes pour apparaître à des longueurs d’onde plus longues et à des fréquences plus basses qu’elles n’apparaîtraient dans un laboratoire ici sur Terre. La taille de ce soi-disant ”décalage vers le rouge » donne donc la distance à la galaxie.

Les premiers relevés des positions des galaxies mesuraient minutieusement ces spectres une galaxie à la fois, en pointant le télescope sur chaque galaxie à tour de rôle. Les relevés modernes peuvent maintenant enregistrer jusqu’à quelques milliers de spectres de galaxies en une seule exposition.

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La caméra a été testée à l’aide du télescope William Herschel. wikimedia commons, CC BY-SA

PAUcam va révolutionner l’astronomie des relevés en mesurant les distances à des dizaines de milliers de galaxies qu’elle peut voir à chaque fois qu’elle regarde le ciel. Pour ce faire, il prend 40 photographies ou images à l’aide de filtres spéciaux qui isolent une partie de la lumière émise par une galaxie. Cela permet d’accumuler rapidement un spectre pour chaque galaxie à une fraction du coût traditionnel. Ce spectre agit également comme un ADN pour chaque galaxie, codant des informations sur le nombre d’étoiles qu’il contient et la rapidité avec laquelle de nouvelles étoiles sont ajoutées.

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À la recherche de réponses

Mon équipe ici à Durham construira des modèles informatiques de l’évolution de l’univers, qui visent à décrire comment des structures comme les galaxies se sont développées au cours de 13,7 milliards d’années d’histoire cosmique. L’univers du cosmologiste est principalement composé d’une substance inconnue appelée matière noire, avec une petite quantité de « matière normale”.

PAUCam permettra aux cosmologistes de tester leurs modèles de construction de galaxies en mesurant la grosseur de la distribution des galaxies dans la nouvelle carte. C’est important car cela nous parle de la distribution de la matière noire, que nous ne pouvons pas voir directement.

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Nous savons d’après les observations précédentes que les amas de galaxies contiennent de la matière noire. En comptant le nombre de galaxies dans un amas, les astronomes peuvent estimer la quantité totale de matière (visible) dans l’amas. En mesurant également les vitesses des galaxies, ils constatent que certaines se déplacent si vite qu’elles devraient échapper à l’attraction gravitationnelle de l’amas. La raison pour laquelle ils ne le font pas est que d’énormes quantités de matière noire invisible augmentent l’attraction gravitationnelle. Si les galaxies sont très groupées – ou si leur distribution est grumeleuse – les simulations informatiques montrent que cela signifie que les galaxies vivent à l’intérieur de structures de matière noire plus massives.

PAUCam nous permettra d’en savoir plus sur un effet appelé lentille gravitationnelle, dans lequel la masse de l’univers plie la lumière des galaxies lointaines, faisant apparaître leurs images déformées. Les scientifiques peuvent étudier les distorsions pour calculer l’ampleur réelle de la parcelle de l’univers, y compris la matière noire. C’est l’une des sondes clés de l’énergie noire qui est prévue pour la mission Euclid de l’Agence spatiale européenne, dont le lancement est prévu en 2020.

La distorsion de la lentille dépend de la grosseur de la matière noire, dont le tour est déterminé par la vitesse à laquelle l’univers se développe. Si l’univers se développe à un rythme rapide, il est plus difficile pour la gravité de rassembler les structures pour en faire de plus grandes. PAUCam nous aidera à démêler le signal des lentilles gravitationnelles des simples alignements entre les orientations des galaxies qui se développent au fur et à mesure de leur formation.

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Une étude de galaxie comme PAUCam n’a jamais été tentée à cette échelle auparavant. La carte résultante sera une ressource unique pour nous aider à en savoir plus sur la fabrication des galaxies et pourquoi l’expansion de l’univers semble s’accélérer. Nous espérons avoir la réponse une fois l’enquête PAUCam terminée vers 2020.

Carlton Baugh est professeur de physique à l’Université de Durham.

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Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lisez l’article original.

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