La plus grande carte 3D de l’Univers commence à révéler l’histoire de son expansion

L’instrument spectrographique d’énergie noire (DESI) vient d’achever les sept premiers mois de sa mission d’observation du ciel. Il permet de montrer une carte tridimensionnelle — encore inachevée — de l’Univers, la plus grande et la plus détaillée jamais créée. Elle aide déjà les astronomes à révéler les secrets des sources de lumière les plus puissantes de l’Univers, et permettra une meilleure compréhension de son histoire par la suite.

C’est une carte 3D du cosmos montrant des amas, des filaments et des vides, que fournit l’observatoire de Kitt Peak aux États-Unis. Depuis mai 2021, l’instrument spectrographique d’énergie noire (DESI) cartographie le ciel, installé sur le télescope Mayall (de 4 mètres). Il devrait contenir plus de 35 millions de galaxies dans son catalogue d’ici la fin de son fonctionnement en 2026, permettant aux scientifiques de lancer de nombreuses recherches en cosmologie et en astrophysique.

Il est important de noter que 70% de la densité d’énergie de l’Univers semble due à une « énergie noire » de nature inconnue, dont on sait seulement qu’elle accélère l’expansion de l’Univers. Alors que la gravitation devrait freiner l’expansion de l’Univers, le rythme de cette expansion s’accélère en fait de plus en plus, révélant davantage d’énergie noire. Cette dernière n’a jamais été observée directement, bien que ses effets soient mesurés.

Une mission qui révèle le passé et le futur de l’Univers

La mission d’observation a mis du temps à démarrer. Construit en 2015, le spectrographe DESI a ouvert ses 5000 « yeux » en 2019, même si la crise sanitaire a retardé son lancement… Des yeux à fibre optique positionnés par des robots, avec une précision à 10 microns. « C’est moins que l’épaisseur d’un cheveu humain », a déclaré le physicien Klaus Honscheid de l’université d’État de l’Ohio, co-scientifique responsable de l’instrument, et qui présentera le premier article de la session DESI. « Et vous devez positionner chaque robot pour recueillir la lumière de galaxies situées à des milliards d’années-lumière », ajoute-t-il.

En cinq ans, le spectrographe devrait aider les astronomes à comprendre quel rôle l’énergie sombre joue sur l’expansion de l’Univers, par l’étude de son passé, et quel avenir l’attend. Pour cela, la mesure de la distance de 35 millions de galaxies et de 2,4 millions de quasars — une variété de galaxies particulièrement brillantes — sur plus d’un tiers du ciel entier est prévue. Les scientifiques pourront mesurer la variation du taux d’expansion de l’Univers avec une précision encore inégalée. Ce niveau de précision est nécessaire pour collecter des images détaillées du spectre de couleurs de millions de galaxies.

DESI permet de décomposer la lumière de chaque galaxie en son spectre de couleurs et de déterminer dans quelle mesure la lumière a été décalée vers le rouge. En effet, nous savons que plus le spectre de la lumière d’une galaxie est décalé vers le rouge, plus cette galaxie est éloignée de nous. Ces décalages vers le rouge permettent à DESI de voir la profondeur du ciel et, par cartographie des amas et superamas de galaxies, de déterminer l’histoire de son expansion. Les amas et superamas portent les échos de leur formation initiale, lorsqu’elles n’étaient que des ondulations dans le cosmos naissant.

L’étude a déjà catalogué plus de 7,5 millions de galaxies et en ajoute plus d’un million par mois. Rien qu’en novembre 2021, DESI a catalogué les décalages vers le rouge de 2,5 millions de galaxies.

Trous noirs et galaxies brillantes

En outre, les données de DESI sont actuellement utilisées pour comprendre le comportement des trous noirs de masse intermédiaire dans les petites galaxies. En effet, un trou noir est par définition très difficile à trouver, à moins qu’il n’attire à lui suffisamment de matière pour former un noyau galactique actif (NGA) : du gaz, de la poussière et d’autres matériaux.

Dans les grandes galaxies, les NGA sont parmi les objets les plus brillants, mais dans les petites galaxies, les NAG peuvent être beaucoup plus difficiles à distinguer des étoiles naissantes. DESI permettra cependant d’obtenir plus d’informations sur les noyaux des petites galaxies, qui donneront aux scientifiques des indices sur la façon dont les NGA brillants se sont formés au tout début de l’Univers.

L’instrument permettra aussi de mieux comprendre l’évolution des quasars, les objets les plus lumineux de notre univers. « J’aime les considérer comme des lampadaires qui regardent en arrière dans l’histoire de l’Univers », a déclaré Victoria Fawcett, étudiante en astronomie à l’université de Durham, au Royaume-Uni. Les quasars, dont l’évolution n’a jamais été testée auparavant, sont d’excellentes sondes de l’Univers primitif en raison de leur puissance pure. De grands échantillons d’objets rares pourront également être étudiés dans les années à venir.