Observez le ciel à travers un puissant télescope et, au-delà de l’éclat de la Voie lactée, vous pourrez distinguer la faible lueur des galaxies lointaines. Ces galaxies s’agglutinent en amas denses reliés par des filaments vaporeux et séparés par d’énormes vides de plusieurs centaines de millions d’années-lumière de diamètre. Depuis les années 1980, les scientifiques ont observé des millions de galaxies pour cartographier cette « toile cosmique » de manière toujours plus détaillée dans leur quête pour comprendre l’histoire de notre univers.
Mais il y a plus dans cette structure à grande échelle qu’il n’y paraît. Les atomes d’hydrogène émettent naturellement des ondes radio avec une longueur d’onde caractéristique de 21 centimètres, et comme les nuages d’hydrogène gazeux ont tendance à se regrouper gravitationnellement autour des galaxies, les modèles de cette émission radio reflètent la distribution cosmique sous-jacente de la matière. Dans un récent article préimprimé, des radioastronomes travaillant sur l’expérience canadienne de cartographie de l’intensité de l’hydrogène (CHIME) rapportent leur première détection de ces modèles révélateurs.
Le résultat est une première étape importante vers une carte complète de la toile cosmique à l’aide des émissions radio de l’hydrogène, bien que les mesures de CHIME n’aient pas encore atteint la précision des relevés infrarouges et optiques de pointe cartographiant la structure à grande échelle. “Ce n’est pas encore le résultat du ‘Saint Graal’, mais c’est une étape importante pour CHIME et aussi pour le terrain”, déclare Tzu-Ching Chang, chercheur au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, qui n’a pas participé aux travaux.
Espace inexploré
Dans « l’âge sombre » de l’univers, quelques centaines de millions d’années après que les protons et les électrons se sont combinés pour former des atomes après le big bang, aucune étoile n’existait pour illuminer tout l’hydrogène gazeux qui imprégnait alors l’espace. Ce gaz s’est densifié à certains endroits et s’est raréfié à d’autres à mesure que la gravité faisait concurrence à l’expansion cosmique, et les régions les plus denses ont finalement donné naissance à des étoiles lumineuses, des galaxies et des amas de galaxies.
Dès les années 1990, les cosmologistes pensaient comprendre les grandes lignes de cette histoire. Ils ont donc été choqués de découvrir en 1998 que l’expansion cosmique avait mystérieusement commencé à s’accélérer il y a environ cinq milliards d’années, après plus de huit milliards d’années de navigation satisfaite. Presque rien n’est connu sur « l’énergie noire » responsable de cette accélération ; une question ouverte importante est de savoir s’il s’agit d’une «constante cosmologique» immuable ou plutôt d’un champ dynamique dont la force change avec le temps.
Les cartes de la toile cosmique pourraient indiquer une réponse. La lumière des galaxies plus éloignées met plus de temps à nous parvenir, et l’expansion de l’univers étire la longueur d’onde de cette ancienne lumière vers l’extrémité rouge du spectre visible : plus la galaxie est éloignée, plus le redshift cosmique est important. Des mesures précises du décalage vers le rouge, basées sur les empreintes spectrales uniques des atomes qui sont abondants dans les galaxies, permettent ainsi aux astronomes de construire des cartes tridimensionnelles du réseau cosmique. Ces cartes encodent une mine d’informations sur l’histoire de l’expansion cosmique et l’évolution de la structure à grande échelle.
L’enquête la plus récente sur les galaxies, appelée Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), a répertorié les positions et les décalages vers le rouge d’un demi-million de galaxies et d’autant de quasars – des régions extrêmement brillantes au cœur de grandes galaxies alimentées par des trous noirs supermassifs. L’équipe eBOSS a ensuite utilisé ce catalogue pour construire une carte couvrant environ 15 % du ciel et remontant à plus de 11 milliards d’années. Et des enquêtes de suivi encore plus ambitieuses sont en cours.
Un nouvel espoir
Pourtant, malgré leurs succès, les enquêtes sur les galaxies ont leurs limites. Les télescopes doivent d’abord balayer le ciel pour sélectionner les galaxies à inclure dans l’enquête, et les mesures ultérieures des décalages vers le rouge des galaxies individuelles ont tendance à prendre du temps. Les levés de pointe exigent également des spectromètres coûteux avec des milliers de pièces mobiles.
La cartographie de l’intensité de l’hydrogène, la stratégie poursuivie par CHIME, pourrait s’avérer un moyen moins coûteux et plus rapide de cartographier le cosmos. Les ondes radio de 21 cm des nuages de gaz distants sont décalées vers le rouge, tout comme la lumière visible. Mais les radiotélescopes peuvent mesurer comment l’intensité de l’émission radio varie dans le ciel à plusieurs longueurs d’onde différentes à la fois, permettant aux astronomes de construire des cartes en trois dimensions sans mesures de décalage vers le rouge séparées. Les télescopes de cartographie d’intensité dédiés sont également peu coûteux, “un ordre de grandeur moins cher que les instruments spectroscopiques comparables en optique ou infrarouge”, explique Kavilan Moodley, professeur d’astronomie à l’Université de KwaZulu-Natal en Afrique du Sud, qui n’est pas affilié à CHIME.
La cartographie d’intensité fait face à ses propres défis. La principale difficulté est que le signal cosmologique est faible et que la Voie lactée elle-même est un puissant émetteur radio. “Vous essayez de regarder derrière quelque chose qui est 1 000 ou 10 000 fois plus faible”, explique Moodley. Déchiffrer l’empreinte de la toile cosmique nécessite une modélisation précise du télescope et une analyse minutieuse.
CHIME est une rangée de quatre radiotélescopes sans pièces mobiles, chacun ressemblant à un half-pipe de snowboard en grillage à poule. Pendant que la Terre tourne, les télescopes balayent une carte à basse résolution de tout l’hémisphère nord. La carte 3D qui en résulte est composée de “voxels” plutôt que de “pixels”, avec chaque voxel d’environ 30 millions d’années-lumière de côté, 10 millions d’années-lumière de profondeur et généralement rempli de centaines de galaxies. Cette résolution spatiale grossière est une fonctionnalité, pas un bug : l’addition des émissions radio de tout l’hydrogène dans chaque voxel permet aux astronomes de capter des signaux faibles qu’ils ne verraient pas autrement. Et parce que les effets de l’énergie noire sont plus prononcés à de très grandes échelles de distance, la structure au sein des voxels individuels n’est pas pertinente pour ces études.
En 2009 et 2010, Chang et d’autres astronomes ont trouvé les premières traces de la toile cosmique dans l’émission d’hydrogène à 21 cm à l’aide de radiotélescopes en Australie et en Virginie-Occidentale. Mais ces télescopes sont des paraboles de 100 mètres qui collectent la lumière d’une petite région du ciel, de sorte qu’ils ne pourraient pas cartographier efficacement les grandes zones nécessaires pour une vue plus complète. Ces installations sont également très demandées et seule une fraction de leurs observations peut être consacrée à des observations à 21 cm. Les nouveaux résultats de CHIME, dérivés des données collectées en 2019, sont les premiers d’un radiotélescope spécialement conçu pour cartographier la toile cosmique. Cela a permis aux chercheurs de CHIME de mieux contrôler les erreurs systématiques, et ils n’ont pas eu à rivaliser avec d’autres astronomes pour le temps de télescope. Les données du projet remontent jusqu’à neuf milliards d’années, un milliard d’années plus loin dans le passé que les mesures radio précédentes.
Le premier signal, mais pas le dernier
Après avoir traité leurs données pour supprimer l’émission de premier plan de la Voie lactée et des sources terrestres, les chercheurs ont utilisé une technique appelée “empilement” pour étudier les corrélations entre les données de CHIME et les cartes de galaxies de l’enquête eBOSS. Ils ont vu un signal sans équivoque : les régions d’émission radio plus intense se chevauchaient avec les positions de galaxies et de quasars connus. « Lorsque vous avez cette première détection, c’est extrêmement motivant », déclare Seth Siegel, chercheur scientifique à l’Université McGill et l’un des responsables de l’analyse de l’équipe CHIME. Le résultat est une étape importante, dit-il, car il donne aux chercheurs de CHIME une base à partir de laquelle ils peuvent poursuivre d’autres améliorations.
L’équipe travaille actuellement sur l’utilisation de données CHIME plus récentes pour construire une carte autonome, sans l’aide du catalogue eBOSS. Il prévoit ensuite de rechercher des corrélations dans la distribution de l’hydrogène gazeux sur des échelles de distance plus longues, pour lesquelles la séparation du signal de l’émission de premier plan devient particulièrement difficile. De telles corrélations sont les vestiges d’ondes sonores – appelées “oscillations acoustiques baryoniques” par les cosmologistes – qui se sont propagées à travers le plasma ardent primordial qui a rempli l’univers primitif. L’échelle caractéristique de ces oscillations – environ 500 millions d’années-lumière dans l’univers actuel – a été mesurée avec précision à l’aide d’autres méthodes. Ainsi, les oscillations acoustiques du baryon peuvent servir d’étalon que l’équipe peut utiliser pour mesurer d’autres distances dans ses cartes à la recherche d’écarts par rapport à la cosmologie standard, tels que des changements dans la force de l’énergie noire.
Richard Shaw, chercheur à l’Université de la Colombie-Britannique, qui a codirigé l’analyse avec Siegel, souligne que ce n’est que le début pour CHIME. “Nous avons des sacs de données dans la boîte et d’autres à venir”, dit-il.
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