Les astrophysiciens peuvent utiliser les mesures du fond diffus cosmologique, le rayonnement formé 380 000 ans après le Big Bang, pour comprendre à quoi ressemblait l’univers à ses débuts. Et en observant la lumière émise par les galaxies suffisamment proches de la Terre pour que les télescopes la détectent, les scientifiques peuvent cataloguer les galaxies individuelles pour en savoir plus sur leur distribution.
« La quantité de matière agglomérée dans l’univers nous révèle toutes sortes de physique intéressante », a déclaré Kirit Karkare, scientifique associé au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et membre senior de l’Université de Stanford et du SLAC / Stanford Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmologie (KIPAC). Les physiciens peuvent utiliser la structure à grande échelle de l’univers pour en savoir plus sur l’énergie noire, la matière noire, l’inflation et les neutrinos.
Au-delà d’il y a quelques milliards d’années, cependant, les galaxies sont trop éloignées pour que même les télescopes les plus puissants puissent les résoudre. Avec les techniques actuelles, les scientifiques ne peuvent voir que 5 à 10 % du volume de l’univers entier, vieux d’environ 14 milliards d’années.
« Nous voulons mesurer le volume total de l’univers parce que cela nous donne la meilleure précision sur la physique cosmologique », a déclaré Karkare. « Il s’avère que ce n’est pas parce que certaines galaxies sont lointaines et faibles que vous ne pouvez pas les détecter. Nous avons juste besoin d’une nouvelle technique pour voir l’univers des adolescents, si vous le souhaitez. »
Il pense que la technique peut être la cartographie de l’intensité des lignes (LIM). Avec ses co-chercheurs principaux, Peter Barry de l’Université de Cardiff et Adam Anderson du Fermi National Accelerator Laboratory du DOE, Karkare développe un nouveau type de détecteur qui utilisera le LIM pour cartographier les galaxies trop éloignées pour les relevés traditionnels.
« C’est vraiment amusant d’innover », a déclaré Karkare. « Si nous avons raison, cela signifie que nous aurons une technique d’observation qui peut nous permettre de cartographier essentiellement toute l’histoire de l’univers et d’extraire le maximum d’informations cosmologiques que nous pouvons. »
Mesure étalée, même physique
Au lieu d’utiliser un télescope à haute résolution pour localiser des galaxies individuelles, LIM utilise un télescope à basse résolution pour étudier la somme des rayonnements émis par une collection de galaxies. En conséquence, les images de cartographie d’intensité semblent tachées par rapport aux images traditionnelles d’enquête sur les galaxies. Les chercheurs peuvent toujours les utiliser pour déterminer l’agrégation de l’univers : les zones avec plus de galaxies sont plus lumineuses, les zones avec moins sont plus sombres.
« Il s’avère que cette image d’intensité de ligne contient toute la cosmologie et la physique pertinentes en tant qu’image d’étude de galaxie traditionnelle », a déclaré Karkare.
La combinaison de ces images maculées avec la couleur de la lumière indique aux astrophysiciens à quelle distance se trouvent les agrégats, tout comme dans les relevés traditionnels, pour cartographier l’agglutination en trois dimensions.
« Si vous n’avez pas besoin d’informations sur les détails des galaxies individuelles, cette technique est probablement le moyen le plus efficace de cartographier le regroupement de ces galaxies et la structure à grande échelle de l’univers sur un très grand volume. L’évolution de cette carte détient les principales informations sur la physique fondamentale depuis le ciel, y compris la nature de l’énergie noire et de l’inflation », a déclaré Risa Wechsler, directrice du KIPAC et professeure de sciences humaines et de physique et de physique des particules et d’astrophysique à l’Université de Stanford et au SLAC.
Le LIM peut être appliqué à n’importe quelle longueur d’onde de lumière, a déclaré Karkare, et lui et ses collègues détecteront dans la gamme de longueurs d’onde millimétriques car les galaxies lointaines sont brillantes dans cette gamme.
Les premières galaxies sont poussiéreuses, conditions idéales pour la formation d’étoiles. La lumière émise par ces étoiles est absorbée par la poussière, puis la poussière la re-rayonne à des longueurs d’onde plus longues. Au fur et à mesure que cette lumière se déplace vers la Terre, elle est étirée à des longueurs d’onde encore plus longues et est visible depuis les observatoires au sol à des longueurs d’onde d’environ un millimètre.
Mais ce signal est encore extrêmement faible.
« Il faut des années et des années d’observations moyennes d’un coin de ciel apparemment vierge avant de pouvoir déceler des signaux très, très faibles », a déclaré Karkare.
Alors que d’autres expériences prennent des mesures LIM à des longueurs d’onde millimétriques, le nouveau type d’instrument que Karkare aide à développer, le South Pole Telescope Summertime Line Intensity Mapper (SPT-SLIM), effectuera ce type de mesure avec plus de sensibilité que jamais auparavant pour accéder au mystérieuses années intermédiaires de l’univers.
Les détecteurs miniatures maximisent la sensibilité
Au lieu d’utiliser un grand spectromètre comme d’habitude, SPT-SLIM comportera 18 mini spectromètres qui ont chacun été imprimés sur une plaquette de silicium. Parce que les détecteurs sont plus petits, plus peuvent être emballés dans l’instrument, ce qui le rend suffisamment sensible pour détecter la faible lumière à ondes millimétriques des galaxies lointaines. Karkare pense que SPT-SLIM sera capable de détecter des galaxies qui se sont formées 2,5 milliards d’années après le Big Bang.
Les membres de l’équipe SPT-SLIM travaillent sur les détecteurs du SPT-SLIM à l’Université de Chicago depuis 2021. Ces détecteurs fonctionnent à des températures proches du zéro absolu, alors les collègues du Fermilab construisent un cryostat pour les garder au frais.
Ensuite, l’équipe installera les détecteurs, qui sont logés dans un cylindre compact de trois pieds de haut avec le cryostat, dans le télescope du pôle Sud, où il collectera des données pendant la saison estivale de l’Antarctique cette année.
« Le pôle Sud est le paradis pour un cosmologiste expérimental », a déclaré Karkare. L’Antarctique est particulièrement idéal pour les mesures d’ondes millimétriques, dont le faible signal est bloqué par l’atmosphère et la vapeur d’eau. Le pôle Sud est à près de 10 000 pieds au-dessus du niveau de la mer, ce qui signifie qu’il y a moins d’atmosphère sur le chemin et que l’eau gèle dans l’air.
Une fois que l’équipe aura démontré que SPT-SLIM fonctionne, elle commencera à évoluer vers un instrument plus grand comportant 10 fois le nombre de détecteurs. Cette amélioration permettra, espérons-le, aux futures expériences d’atteindre des galaxies formées 500 millions d’années après le Big Bang.
« SPT-SLIM pourra servir d’éclaireur pour quelque chose de beaucoup plus important que nous pourrions faire au cours de la prochaine décennie », a déclaré Wechsler.
Karkare prévoit d’utiliser l’installation de microfabrication de détecteurs du SLAC, qui est actuellement en construction, pour fabriquer plus facilement ces minuscules détecteurs.
« Je suis vraiment ravi de profiter de cette nouvelle installation pour intensifier la fabrication de nos détecteurs », a déclaré Karkare. Bien qu’il soit la seule personne travaillant sur SPT-SLIM au SLAC pour l’instant, Karkare prévoit de créer un groupe de cartographie de l’intensité au laboratoire. Il est également ravi de travailler avec Wechsler et d’autres collègues du KIPAC et du SLAC qui se concentrent sur les relevés traditionnels des galaxies, comme le Vera C. Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time, pour tirer le meilleur parti des cartes de SPT-SLIM.
« L’un des aspects les plus excitants de cela est en fait la complémentarité entre ces différentes techniques et la façon dont nous allons mettre tout cela ensemble pour obtenir l’image la meilleure, la plus précise et la plus précise de ce que fait l’univers sur le plus grand volume possible », dit Wechsler.
Et SPT-SLIM est plus qu’un simple moyen d’examiner des parcelles d’univers auparavant inaccessibles. C’est aussi une façon de se souvenir d’un collègue. Le concept de cet instrument est né alors que Karkare travaillait dans le laboratoire de l’astronome de l’Université de Chicago, Erik Shirokoff, décédé en janvier.
« Il nous manque vraiment à tous », a déclaré Karkare. « Nous considérons donc le déploiement de SPT-SLIM comme un moyen d’honorer son héritage. »