Une étude à l’aide d’un télescope à rayons X indique que l’énergie noire est uniformément répartie dans l’espace et le temps

Quand Edwin Hubble a observé des galaxies lointaines dans les années 1920, il a fait la découverte révolutionnaire que l’univers est en expansion. Ce n’est qu’en 1998, cependant, que les scientifiques observant les supernovae de type Ia ont découvert que l’univers n’est pas seulement en expansion, mais qu’il a commencé une phase d’expansion accélérée. « Pour expliquer cette accélération, il nous faut une source », explique Joseph Mohr, astrophysicien au LMU. « Et nous appelons cette source « l’énergie noire », qui fournit une sorte d' »anti-gravité » pour accélérer l’expansion cosmique. »

Scientifiquement, l’existence de l’énergie noire et de l’accélération cosmique est une surprise, ce qui indique que notre compréhension actuelle de la physique est soit incomplète, soit incorrecte. L’importance de l’accélération de l’expansion a été soulignée en 2011 lorsque ses découvreurs ont reçu le prix Nobel de physique. « Entre-temps, la nature de l’énergie noire est devenue le prochain problème à remporter le prix Nobel », déclare Mohr.

Maintenant, I-Non Chiu de l’Université nationale Cheng Kung à Taiwan, en collaboration avec les astrophysiciens du LMU Matthias Klein, Sebastian Bocquet et Joe Mohr, a publié une première étude de l’énergie noire à l’aide du télescope à rayons X eROSITA, qui se concentre sur les amas de galaxies . Le travail est publié dans la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

L’anti-gravité éventuellement causée par l’énergie noire éloigne les objets les uns des autres et supprime la formation de grands objets cosmiques qui se formeraient autrement en raison de la force d’attraction de la gravité. En tant que telle, l’énergie noire affecte où et comment les plus grands objets de l’univers se forment, à savoir les amas de galaxies avec des masses totales allant de 1013 à 1015 masses solaires. « Nous pouvons en apprendre beaucoup sur la nature de l’énergie noire en comptant le nombre d’amas de galaxies formés dans l’univers en fonction du temps ou dans le monde de l’observation en fonction du décalage vers le rouge », explique Klein.

Cependant, les amas de galaxies sont extrêmement rares et difficiles à trouver, nécessitant des relevés d’une grande partie du ciel à l’aide des télescopes les plus sensibles au monde. À cette fin, le télescope spatial à rayons X eROSITA – un projet dirigé par l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE) à Munich – a été lancé en 2019 pour effectuer une étude de tout le ciel à la recherche d’amas de galaxies. Dans l’enquête eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS), une mini-enquête conçue pour la vérification des performances de l’enquête ultérieure sur tout le ciel, environ 500 amas de galaxies ont été trouvés. Cela représente l’un des plus grands échantillons d’amas de galaxies de faible masse à ce jour et couvre les 10 derniers milliards d’années d’évolution cosmique.

La densité d’énergie de l’énergie noire semble être uniforme dans l’espace et constante dans le temps

Pour leur étude, Chiu et ses collègues ont utilisé un ensemble de données supplémentaire en plus des données eFEDS – des données optiques du programme stratégique Hyper Suprime-Cam Subaru, qui est dirigé par les communautés astronomiques du Japon et de Taïwan, et de l’Université de Princeton. L’ancien doctorant du LMU I-Non Chiu et ses collègues du LMU ont utilisé ces données pour caractériser les amas de galaxies dans eFEDS et mesurer leurs masses en utilisant le processus de lentille gravitationnelle faible. La combinaison des deux ensembles de données a permis la première étude cosmologique utilisant des amas de galaxies détectés par eROSITA.

Leurs résultats montrent que, par comparaison entre les données et les prédictions théoriques, l’énergie noire représente environ 76 % de la densité d’énergie totale dans l’univers. De plus, les calculs ont indiqué que la densité d’énergie de l’énergie sombre semble être uniforme dans l’espace et constante dans le temps.

« Nos résultats concordent également bien avec d’autres approches indépendantes, telles que les études précédentes sur les amas de galaxies ainsi que celles utilisant une faible lentille gravitationnelle et le fond cosmique des micro-ondes », explique Bocquet. « Jusqu’à présent, toutes les preuves d’observation, y compris les derniers résultats de l’eFEDS, suggèrent que l’énergie noire peut être décrite par une simple constante, généralement appelée » constante cosmologique « . »

« Bien que les erreurs actuelles sur les contraintes d’énergie sombre soient encore plus importantes que nous ne le souhaiterions, cette recherche utilise un échantillon d’eFEDS qui, après tout, occupe une zone inférieure à 1% du ciel complet », explique Mohr. Cette première analyse a ainsi jeté des bases solides pour les études futures de l’échantillon eROSITA plein ciel ainsi que d’autres échantillons de grappes.