La gravité a façonné notre cosmos. Son influence attractive a transformé de minuscules différences dans la répartition de la matière au début de l’univers en vastes filaments galactiques tels que nous les voyons aujourd’hui. Une nouvelle étude basée sur les données du Spectrographe pour l’énergie noire (DESI) retrace la croissance de cette structure cosmique au cours des 11 derniers milliards d’années, fournissant le test le plus précis à ce jour de la gravité à très grande échelle.
La gravité a façonné notre cosmos. Son influence attractive a transformé de minuscules différences dans la répartition de la matière au début de l’univers en vastes filaments galactiques tels que nous les voyons aujourd’hui. Une nouvelle étude basée sur les données du Spectrographe pour l’énergie noire (DESI) retrace la croissance de cette structure cosmique au cours des 11 derniers milliards d’années, fournissant le test le plus précis à ce jour de la gravité à très grande échelle.
« La relativité générale a été très bien testée à l’échelle des systèmes solaires, mais nous devions aussi vérifier que cette hypothèse tient à des échelles bien plus grandes, » explique Pauline Zarrouk, cosmologiste au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et chercheuse au Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE), qui a codirigé cette nouvelle analyse. « Étudier le rythme de formation des galaxies nous permet de tester directement nos théories et, jusqu’ici, les résultats concordent avec les prédictions de la relativité générale à l’échelle cosmologique. »
L’étude a également permis d’établir de nouvelles limites supérieures pour la masse des neutrinos, seules particules fondamentales dont la masse n’a pas encore été mesurée avec précision. Des expériences antérieures ont établi que la somme des masses des trois types de neutrinos doit être d’au moins 0,059 eV/c². (À titre de comparaison, la masse d’un électron est d’environ 511 000 eV/c².) Les résultats de DESI indiquent que cette somme devrait être inférieure à 0,071 eV/c², ne laissant qu’une étroite marge d’incertitude.
La collaboration DESI a partagé ses résultats dans plusieurs articles publiés aujourd’hui sur la plateforme arXiv. L’analyse, particulièrement complexe, s’appuie sur l’étude de près de six millions de galaxies et de quasars, permettant aux chercheurs de remonter jusqu’à 11 milliards d’années dans le passé. Avec seulement une année de données, DESI a réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la croissance des structures, surpassant les efforts précédents qui avaient nécessité plusieurs décennies.
Les résultats publiés aujourd’hui offrent une analyse approfondie de la première année de données de DESI, qui avait déjà permis en avril de produire la plus grande carte 3D de l’univers à ce jour et de détecter des indices selon lesquels l’énergie noire pourrait évoluer dans le temps. Les résultats d’avril portaient sur une caractéristique particulière de la distribution des galaxies connue sous le nom d’oscillations acoustiques des baryons (BAO). La nouvelle analyse, appelée analyse de la forme complète, élargit la portée de l’étude pour extraire davantage d’informations, en mesurant comment les galaxies et la matière se répartissent à différentes échelles dans l’espace. Cette étude a nécessité des mois de travail supplémentaire et de vérifications croisées. Comme pour l’analyse précédente, une technique a été utilisée pour masquer les résultats aux chercheurs jusqu’à la fin, afin d’atténuer tout biais inconscient.
« Nos résultats sur les BAO et notre analyse de la forme complète sont tous deux spectaculaires, » déclare Dragan Huterer, professeur à l’Université du Michigan et coresponsable du groupe DESI chargé de l’interprétation des données cosmologiques. « C’est la première fois que DESI examine la croissance des structures cosmiques. Nous démontrons une capacité remarquable à sonder les théories de gravité modifiée et à affiner les contraintes sur les modèles d’énergie noire. Et ce n’est que la pointe de l’iceberg. »
DESI est un instrument à la fine pointe de la technologie capable de capter la lumière de 5 000 galaxies simultanément. Il a été conçu et est exploité grâce au financement du Bureau des sciences du département de l’Énergie des États-Unis (DOE). L’instrument est installé sur le télescope Nicholas U. Mayall de 4 mètres, au Kitt Peak National Observatory — un programme du NOIRLab de la National Science Foundation (NSF). L’expérience en est actuellement à sa quatrième année d’observation sur cinq, et vise à recueillir les données de quelque 40 millions de galaxies et de quasars d’ici la fin du projet.
La collaboration analyse actuellement les trois premières années de données recueillies et prévoit publier de nouvelles mesures de l’énergie noire et de l’histoire de l’expansion de l’univers au printemps 2025. Les résultats élargis publiés aujourd’hui confirment la tendance précédente de l’expérience en faveur d’une énergie noire évolutive, ce qui accroît l’intérêt autour de la prochaine analyse.
« La matière noire constitue environ un quart de l’univers, et l’énergie noire environ 70 %, et pourtant nous ne savons toujours pas ce qu’elles sont, » explique Mark Maus, doctorant au Berkeley Lab et à l’UC Berkeley, qui a contribué à la modélisation théorique et à la validation de l’analyse. « Pouvoir capturer des images de l’univers et s’attaquer à ces grandes questions fondamentales est tout simplement fascinant. »
DESI est soutenu par le Bureau des sciences du DOE ainsi que par le National Energy Research Scientific Computing Center, une installation de recherche du DOE. Il reçoit également l’appui de la National Science Foundation des États-Unis, du Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni, de la Fondation Gordon et Betty Moore, de la Fondation Heising-Simons, du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) en France, du Conseil national des sciences, des humanités et des technologies du Mexique, du ministère espagnol de la Science et de l’Innovation, ainsi que des établissements membres de DESI.
La collaboration DESI est honorée d’avoir l’autorisation de mener ses recherches scientifiques sur I’oligam Du’ag (Kitt Peak), une montagne revêtant une importance particulière pour la nation Tohono O’odham.
DESI est une collaboration internationale réunissant plus de 900 chercheuses et chercheurs provenant de plus de 70 établissements à travers le monde, dont l’Institut Périmètre de physique théorique. Elle est dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), une organisation du département de l’Énergie des États-Unis. Dans leur nouvelle étude, les scientifiques de DESI ont constaté que la gravité se comporte comme prévu par la théorie de la relativité générale d’Einstein. Ce résultat confirme le principal modèle actuel de l’univers et restreint les théories alternatives de gravité modifiée, proposées pour expliquer certaines observations inattendues — notamment l’expansion accélérée de l’univers, généralement attribuée à l’énergie noire.
À propos de l’IP
L'Institut Périmètre est le plus grand centre de recherche en physique théorique au monde. Fondé en 1999, cet institut indépendant vise à favoriser les percées dans la compréhension fondamentale de notre univers, des plus infimes particules au cosmos tout entier. Les recherches effectuées à l’Institut Périmètre reposent sur l'idée que la science fondamentale fait progresser le savoir humain et catalyse l'innovation, et que la physique théorique d'aujourd'hui est la technologie de demain. Situé dans la région de Waterloo, cet établissement sans but lucratif met de l'avant un partenariat public-privé unique en son genre avec entre autres les gouvernements de l'Ontario et du Canada. Il facilite la recherche de pointe, forme la prochaine génération de pionniers de la science et communique le pouvoir de la physique grâce à des programmes primés d'éducation et de vulgarisation.
