Une nouvelle carte de l’ensemble de la matière noire de l’Univers soutient la théorie de la relativité d’Einstein

Depuis des millénaires, les humains sont fascinés par les mystères du cosmos et cherchent notamment à comprendre comment il s’est formé et a évolué, afin de mieux cerner nos origines. Le fond diffus cosmologique offre une vue de l’Univers primordial en tant que rayonnement résiduel du Big Bang. Récemment, des chercheurs ont démontré, comme Einstein l’avait prédit dans sa théorie de la relativité générale, que la lumière produite 380 000 ans après le Big Bang a été « courbée » par la matière noire de l’Univers, qu’ils ont pu cartographier. Cette découverte mettra-t-elle fin à la crise de la cosmologie moderne ?

Le fond diffus cosmologique (ou CMB) remplit l’Univers et constitue le rayonnement résiduel du Big Bang. Lorsque l’Univers est né, il y a près de 14 milliards d’années, il était parsemé d’un plasma chaud de particules (protons, neutrons et électrons) et de photons (lumière). Pendant les 380 000 premières années, les photons ont constamment interagi avec des électrons libres, rendant l’Univers primitif opaque, à l’instar d’un brouillard.

Ce brouillard s’est ensuite dissipé lorsque l’Univers s’est refroidi, permettant aux électrons de se combiner avec des protons pour former des atomes d’hydrogène. La température étant devenue trop basse pour les séparer à nouveau, les photons ont pu se déplacer dans l’Univers, qui est ainsi devenu majoritairement non opaque.

C’est cette lumière qui nous parvient sous la forme d’un rayonnement de fond, détecté dans l’infrarouge et les ondes radio. Son étude devrait permettre de comprendre la formation et l’évolution de l’Univers. La cosmologie moderne, qui date du début du XXe siècle, repose sur le développement de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein.

Récemment, des chercheurs de la collaboration Atacama Cosmology Telescope (ACT) ont soumis une série d’articles à The Astrophysical Journal présentant une nouvelle carte révolutionnaire de la matière noire répartie sur un quart du ciel, s’étendant profondément dans le cosmos et qui confirme la théorie d’Einstein sur la façon dont des structures massives se développent et courbent la lumière au cours des 13,8 milliards d’années d’existence de l’Univers. Les astronomes ont présenté leurs découvertes le 11 avril lors de la conférence Future Science with CMB x LSS au Yukawa Institute for Theoretical Physics au Japon.

Une carte inédite de l’Univers

La nouvelle carte utilise la lumière du CMB, observée par le radiotélescope Atacama au Chili, essentiellement comme rétro-éclairage pour silhouetter toute la matière entre nous et le Big Bang. Étant donné que le CMB s’est formé tôt dans l’histoire de l’Univers, il contient des informations sur l’univers primitif. Mais il a également parcouru un long chemin depuis lors et a eu le temps d’interagir avec les amas de galaxies en cours de route. De telles interactions laissent une marque sur le CMB utilisée pour voir ces galaxies primordiales.

Ce qui rend inédit les travaux des chercheurs est la mise en lumière de tout l’échafaudage des galaxies, la matière noire invisible qui tisse l’Univers et relie toutes ses composantes. David Spergel, professeur d’astronomie de Princeton et président de la Fondation Simons, déclare dans un communiqué : « Habituellement, les astronomes ne peuvent mesurer que la lumière, nous voyons donc comment les galaxies sont réparties dans l’Univers ; ces observations révèlent la distribution de la masse, et montrent comment la matière noire est distribuée dans notre univers ».

Traquer l’invisible

Bien qu’elle constitue la majeure partie de l’Univers, la matière noire est difficile à détecter, car elle n’interagit pas avec la lumière ou d’autres formes de rayonnement électromagnétique. Les scientifiques doivent la traquer de manière indirecte, par son interaction avec la gravité.

De fait, les scientifiques pensent que l’Univers primordial regorgeait de particules de matière et d’antimatière. Parce qu’elles s’annihilent lorsqu’elles entrent en collision, si les deux étaient faites à parts égales, toute la matière de l’Univers aurait dû être annihilée. Cependant, le tissu de l’espace-temps, en expansion rapide, a gardé intactes des « poches du plasma primordial » de l’Univers. Ce sont ces poches que traquent les scientifiques pour détecter la matière noire.

Ils exploitent le phénomène de lentille gravitationnelle pour cartographier ces concentrations de matière dans le CMB. L’effet de lentille gravitationnelle est la déviation de la lumière résultant d’une grande concentration de matière, telle qu’une galaxie (ou ici les poches de plasma). Les astronomes recherchent donc ces modèles de distorsion dans la lumière lointaine pour cartographier les distributions de matière noire.

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La crise de la cosmologie résolue ?

Les résultats obtenus par l’équipe confirment ce qu’Einstein avait prédit concernant la façon dont des structures massives se développent et courbent la lumière à travers l’histoire de l’Univers. Le co-auteur Blake Sherwin, professeur de cosmologie à l’Université de Cambridge, explique : « Nous avons cartographié la distribution invisible de la matière noire dans le ciel, et c’est exactement comme nos théories [basées sur la théorie de la relativité d’Einstein] le prédisent ».

Elle ajoute : « Nos résultats fournissent de nouvelles informations sur un débat en cours que certains ont appelé ‘La crise de la cosmologie’ ». Elle découle de mesures récentes qui utilisent une lumière de fond différente, celle émise par les étoiles des galaxies plutôt que le CMB, induisant que la matière noire n’était pas suffisamment grumeleuse dans le modèle standard de la cosmologie.

Frank Qu, auteur principal de l’un des articles, conclut : « Au lieu d’une ‘crise’, je pense que nous avons une opportunité extraordinaire d’utiliser ensemble ces différents ensembles de données […] pour en savoir plus sur la croissance des structures dans l’Univers ».

Des cartes supplémentaires réalisées à l’aide des données de l’ACT et de nouvelles observations de l’observatoire Simons — un télescope en construction dans le désert d’Atacama qui peut cartographier le ciel 10 fois plus rapidement que l’ACT — pourraient enfin mettre un terme à ce débat.