Depuis plus de cinq ans, les scientifiques du télescope du pôle Sud en Antarctique observent le ciel avec une caméra améliorée. Le regard étendu vers le cosmos capte la lumière résiduelle de la formation initiale de l’univers. Les chercheurs ont maintenant analysé un premier lot de données et publié les détails dans la revue Examen physique D. Les résultats de cet ensemble de données limité suggèrent des perspectives futures encore plus puissantes sur la nature de notre univers.
Le télescope de la station Amundsen-Scott du pôle Sud, exploité par la National Science Foundation, a reçu en 2017 une nouvelle caméra connue sous le nom de SPT-3G. 16 000 détecteurs— 10 fois plus que son prédécesseur — le SPT-3G est au cœur de la recherche multi-institutionnelle menée en partie par le Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE). L’objectif est de mesurer la lumière faible connue sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB). Le CMB est la rémanence du Big Bang, lorsque l’univers a surgi d’un seul point d’énergie il y a près de 14 milliards d’années.
« Le CMB est une carte au trésor pour les cosmologistes », a déclaré Zhaodi Pan, auteur principal de l’article et boursier Maria Goeppert Mayer à Argonne. « Ses minuscules variations de température et de polarisation offrent une fenêtre unique sur les débuts de l’univers. »
Le papier dans Examen physique D propose les premières mesures de lentilles gravitationnelles CMB du SPT-3G. La lentille gravitationnelle se produit lorsque le vaste réseau de matière de l’univers déforme le CMB lors de son voyage dans l’espace. Si vous deviez placer la base incurvée d’un verre à vin sur la page d’un livre, le verre déformerait votre vision des mots qui se trouvent derrière. De la même manière, la matière dans la ligne de visée du télescope forme une lentille qui courbe la lumière CMB et notre vision de celle-ci. Albert Einstein a décrit cette déformation de la structure de l’espace-temps dans sa théorie de la relativité générale.
Les mesures de cette distorsion contiennent des indices sur l’univers primitif et des mystères comme la matière noire, une composante invisible du cosmos. « La matière noire est difficile à détecter, car elle n’interagit pas avec la lumière ou d’autres formes de rayonnement électromagnétique. Actuellement, nous ne pouvons l’observer que par le biais d’interactions gravitationnelles », a déclaré Pan.
Les scientifiques étudient le CMB depuis sa découverte dans les années 1960, en l’observant à l’aide de télescopes au sol et dans l’espace. Même si l’analyse la plus récente n’utilise que quelques mois de données SPT-3G datant de 2018, la mesure de la lentille gravitationnelle est déjà compétitive dans le domaine.
« L’une des parties les plus passionnantes de cette étude est que le résultat provient essentiellement de la collecte de données datant du début des observations avec le SPT-3G – et le résultat est déjà excellent », a déclaré Amy Bender, physicienne à Argonne et co-auteur de l’article. « Nous avons encore cinq années de données sur lesquelles nous travaillons actuellement, donc cela ne fait qu’indiquer ce qui va arriver. »
L’atmosphère sèche et stable et l’emplacement éloigné du télescope du pôle Sud créent le moins d’interférences possible lors de la recherche de modèles CMB. Pourtant, les données de la caméra hautement sensible SPT-3G contiennent une contamination provenant de l’atmosphère, ainsi que de notre propre galaxie et de sources extragalactiques.
Analyser ne serait-ce que quelques mois de données du SPT-3G est une entreprise qui dure des années, car les chercheurs doivent valider les données, filtrer le bruit et interpréter les mesures. L’équipe a utilisé un cluster dédié, un groupe d’ordinateurs, au centre de ressources informatiques du laboratoire d’Argonne pour exécuter certains calculs de recherche.
« Nous avons constaté que les modèles de lentilles observés dans cette étude sont bien expliqués par la relativité générale », a déclaré Pan. « Cela suggère que notre compréhension actuelle de la gravité est valable pour ces grandes échelles. Les résultats renforcent également notre compréhension actuelle de la façon dont les structures de matière se sont formées dans notre univers. »
Les cartes de lentilles SPT-3G issues d’années supplémentaires de données aideront également à sonder l’inflation cosmique, ou l’idée selon laquelle l’univers primitif a subi une expansion exponentielle rapide. L’inflation cosmique est « une autre pierre angulaire de la cosmologie », a noté Pan, et les scientifiques recherchent des signes d’ondes gravitationnelles précoces et d’autres preuves directes de cette théorie. La présence de lentilles gravitationnelles introduit des interférences avec les empreintes inflationnistes, nécessitant l’élimination de cette contamination, qui peut être calculée à l’aide de mesures précises de lentilles.
Si certains résultats issus des nouvelles données SPT-3G renforceront les connaissances existantes, d’autres soulèveront de nouvelles questions.
« Chaque fois que nous ajoutons des données, nous découvrons davantage de choses que nous ne comprenons pas », a déclaré Bender, titulaire d’un poste conjoint à l’Université de Chicago. « Au fur et à mesure que vous épluchez les couches de cet oignon, vous en apprenez de plus en plus sur votre instrument ainsi que sur vos mesures scientifiques du ciel. »
On sait si peu de choses sur les composants invisibles de l’univers que toute compréhension acquise est essentielle, a déclaré Pan : « Plus nous en apprenons sur la répartition de la matière noire, plus nous nous rapprochons de la compréhension de sa nature et de son rôle dans la formation de l’univers dans lequel nous vivons. aujourd’hui. »
Plus d’information:
Z. Pan et al, Mesure de la lentille gravitationnelle du fond cosmique micro-ondes à l’aide des données SPT-3G 2018, Examen physique D (2023). DOI : 10.1103/PhysRevD.108.122005