Une équipe de scientifiques a prédit le retour scientifique de l’une des enquêtes planifiées révolutionnaires du télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA, qui analysera des millions de galaxies éparpillées dans l’espace et le temps. Les panoramas énormes et profonds de la mission fourniront la meilleure opportunité à ce jour de discerner les principales théories sur ce qui accélère l’expansion de l’univers.
Roman explorera ce mystère en utilisant plusieurs méthodes, dont la spectroscopie, l’étude des informations de couleur dans la lumière. Cette technique permettra aux scientifiques de mesurer avec précision la vitesse d’expansion de l’univers à différentes époques cosmiques et de retracer l’évolution de l’univers.
« Notre étude prévoit que l’enquête de spectroscopie de la science Roman permettra et montre comment divers ajustements pourraient optimiser sa conception », a déclaré Yun Wang, chercheur principal à Caltech/IPAC à Pasadena, en Californie, et auteur principal de l’étude. En tant que Roman Science Support Center, l’IPAC sera responsable du traitement des données scientifiques spectroscopiques de la mission, tandis que le Space Telescope Science Institute de Baltimore sera responsable du traitement des données scientifiques d’imagerie, de la génération de catalogues et du soutien aux pipelines de traitement des données cosmologiques. « Bien que cette enquête soit conçue pour explorer l’accélération cosmique, elle offrira également des indices sur de nombreux autres mystères alléchants. Elle nous aidera à comprendre la première génération de galaxies, nous permettra de cartographier la matière noire et même de révéler des informations sur des structures beaucoup plus proches. à la maison, en plein dans notre groupe local de galaxies. »
Le télescope spatial romain, dont le lancement est prévu en mai 2027, offrira une vue tellement énorme de l’univers qu’il aidera les scientifiques à étudier les mystères cosmiques d’une manière sans précédent. Chaque image contiendra des mesures précises de tant d’objets célestes qu’elle permettra des études statistiques qui ne sont pas pratiques en utilisant des télescopes avec des vues plus étroites.
Cette vidéo se dissout entre six cubes pour montrer la distribution simulée des galaxies aux décalages vers le rouge 9, 7, 5, 3, 2 et 1, avec les âges cosmiques correspondants indiqués. Au fur et à mesure que l’univers s’étend, la densité de galaxies dans chaque cube diminue, passant de plus d’un demi-million dans le premier cube à environ 80 dans le dernier. Chaque cube mesure environ 100 millions d’années-lumière de diamètre. Galaxies assemblées le long de vastes brins de gaz séparés par de grands vides, une structure semblable à de la mousse qui fait écho dans l’univers actuel à de grandes échelles cosmiques. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA/F. Reddy et Z. Zhai, Y. Wang (IPAC) et A. Benson (Observatoires Carnegie)
Selon les plans actuels, le relevé de spectroscopie de Roman couvrira près de 2 000 degrés carrés, soit environ 5 % du ciel, en un peu plus de sept mois. Les résultats de l’équipe ont montré que l’enquête devrait révéler des distances précises pour 10 millions de galaxies à partir de l’époque où l’univers avait entre 3 et 6 milliards d’années, puisque la lumière qui atteint le télescope a commencé son voyage lorsque l’univers était beaucoup plus jeune. Ces mesures permettront aux astronomes de cartographier la structure à grande échelle en forme de toile du cosmos. L’enquête dévoilera également les distances de 2 millions de galaxies encore plus tôt dans l’histoire de l’univers, alors qu’il n’avait que 2 à 3 milliards d’années – un territoire inexploré dans une structure cosmique à grande échelle.
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Presque toutes les informations que nous recevons de l’espace proviennent de la lumière. Roman utilisera la lumière pour capturer des images, mais il étudiera également la lumière en la décomposant en couleurs individuelles. Les modèles de longueur d’onde détaillés, appelés spectres, révèlent des informations sur l’objet qui a émis la lumière, y compris la vitesse à laquelle il s’éloigne de nous. Les astronomes appellent ce phénomène « décalage vers le rouge » car lorsqu’un objet s’éloigne, toutes les ondes lumineuses que nous en recevons sont étirées et décalées vers des longueurs d’onde plus rouges.
Cette animation montre la séquence et la disposition du motif de mosaïque du relevé spectroscopique à haute latitude du télescope spatial romain. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Dans les années 1920, les astronomes Georges Lemaître et Edwin Hubble ont utilisé les décalages vers le rouge pour faire la découverte surprenante qu’à de très rares exceptions près, les galaxies s’éloignent de nous et les unes des autres à des vitesses différentes en fonction de leur distance. En déterminant à quelle vitesse les galaxies s’éloignent de nous, emportées par l’expansion incessante de l’espace, les astronomes peuvent découvrir à quelle distance elles se trouvent – plus le spectre d’une galaxie est décalé vers le rouge, plus elle est éloignée.
L’étude de spectroscopie de Roman créera une carte 3D de l’univers en mesurant avec précision les distances et les positions de millions de galaxies. Apprendre comment la distribution des galaxies varie avec la distance, et donc le temps, nous donnera une idée de la rapidité avec laquelle l’univers s’est étendu à différentes époques cosmiques.
Cette étude reliera également les distances des galaxies aux échos des ondes sonores juste après le Big Bang. Ces ondes sonores, appelées oscillations acoustiques baryoniques (BAO), se sont développées avec le temps en raison de l’expansion de l’espace et ont laissé leur empreinte sur le cosmos en influençant la répartition des galaxies. Pour toute galaxie moderne, nous sommes plus susceptibles de trouver une autre galaxie à environ 500 millions d’années-lumière que d’en trouver une légèrement plus proche ou plus éloignée.
Regarder plus loin dans l’univers, vers des temps cosmiques antérieurs, signifie que cette distance physique préférée entre les galaxies – le vestige des ondulations BAO – diminue. Cela fournit une mesure de l’histoire de l’expansion de l’univers. Les décalages vers le rouge des galaxies encodent également des informations sur leur mouvement en raison de la gravité de leurs voisins, appelées distorsions spatiales du décalage vers le rouge, ce qui aide les astronomes à retracer l’historique de croissance d’une structure à grande échelle. Apprendre comment le cosmos s’est étendu et comment sa structure s’est développée au fil du temps permettra aux scientifiques d’explorer la nature de l’accélération cosmique et de tester la théorie de la gravité d’Einstein sur l’âge de l’univers.
Ces six cubes montrent la distribution simulée des galaxies aux décalages vers le rouge 9, 8, 5, 3, 2 et 1, avec les âges cosmiques correspondants indiqués. Au fur et à mesure que l’univers s’étend, la densité de galaxies dans chaque cube diminue, passant de plus d’un demi-million en haut à gauche à environ 80 en bas à droite. Chaque cube mesure environ 100 millions d’années-lumière de diamètre. Galaxies assemblées le long de vastes brins de gaz séparés par de grands vides, une structure semblable à de la mousse qui fait écho dans l’univers actuel à de grandes échelles cosmiques. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA/F. Reddy et Z. Zhai, Y. Wang (IPAC) et A. Benson (Observatoires Carnegie)
Énergie noire contre gravité modifiée
Au fur et à mesure que l’univers s’étend, la gravité de la matière qui s’y trouve devrait ralentir cette expansion. Les astronomes ont été surpris d’apprendre que l’expansion de l’univers s’accélère car cela signifie que quelque chose dans notre image du cosmos est soit erroné, soit incomplet. Le mystère pourrait être expliqué en ajoutant une nouvelle composante énergétique à l’univers, que les scientifiques ont surnommée l’énergie noire, ou cela pourrait indiquer que la théorie de la gravité d’Einstein – la théorie générale de la relativité – a besoin d’une modification.
Changer les équations qui décrivent quelque chose d’aussi fondamental que la gravité peut sembler extrême, mais cela a déjà été fait. La loi de la gravité d’Isaac Newton n’a pas pu expliquer certaines des choses observées par les astronomes, comme un petit mais mystérieux mouvement sur l’orbite de Mercure.
Les astronomes ont finalement réalisé que la théorie de la relativité générale d’Einstein rendait parfaitement compte des problèmes qui avaient fait surface, comme le déplacement orbital de Mercure. Passer de la description de la gravité de Newton à celle d’Einstein impliquait de transformer la physique moderne en changeant notre façon de voir l’espace et le temps – interconnectés, au lieu d’être séparés et constants.
L’accélération cosmique pourrait être un signe que la théorie de la gravité d’Einstein n’est toujours pas tout à fait juste. La relativité générale est extrêmement bien testée à des échelles physiques de la taille de notre système solaire, mais moins à mesure que nous passons à des échelles cosmologiques plus grandes. L’équipe a simulé la performance de Roman et a démontré que les énormes images 3D profondes de l’univers de la mission offriront l’une des meilleures opportunités à ce jour pour discerner les principales théories qui tentent d’expliquer l’accélération cosmique.
« Nous pouvons nous attendre à une nouvelle physique dans les deux cas, que nous apprenions que l’accélération cosmique est causée par l’énergie noire ou que nous découvrions que nous devons modifier la théorie de la gravité d’Einstein », a déclaré Wang. « Roman testera les deux théories en même temps. »
Le télescope spatial romain Nancy Grace est géré au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, avec la participation du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et de Caltech/IPAC en Californie du Sud, du Space Telescope Science Institute à Baltimore et d’une équipe scientifique composée de scientifiques de divers établissements de recherche. Les principaux partenaires industriels sont Ball Aerospace and Technologies Corporation à Boulder, Colorado ; L3Harris Technologies à Melbourne, Floride ; et Teledyne Scientific & Imaging à Thousand Oaks, en Californie.
Yun Wang et al, The High Latitude Spectroscopic Survey on the Nancy Grace Roman Space Telescope, Le Journal Astrophysique (2022). DOI : 10.3847/1538-4357/ac4973