Étude de l’histoire de l’univers à l’aide de données multi-ondes
Le fond diffus cosmologique (FDC) est la première lumière émise dans l’univers, il y a environ 14 milliards d’années, et est observé aujourd’hui sous la forme d’un rayonnement électromagnétique à micro-ondes. Cette lumière imprègne l’univers et sert de contre-jour à la distribution des galaxies dans l’univers plus récent que nous observons avec des télescopes fonctionnant principalement dans les longueurs d’onde de la lumière optique ou infrarouge. Le projet PiCOGAMBAS, entrepris avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, visait à développer de nouvelles méthodes pour réaliser des études conjointes de corrélation croisée entre le FDC et les données d’étude des galaxies. «Nous avons utilisé des données actuelles pour tester et démontrer nos nouvelles idées, ce qui a impliqué une combinaison de conception et de mise en œuvre de simulations numériques et de techniques statistiques, ainsi que l’analyse de données réelles», explique le chercheur principal Giulio Fabbian. L’objectif: établir une corrélation entre les cartes de galaxies et les cartes de signatures de galaxies dans les données du FDC. Ce faisant, les chercheurs peuvent étudier les processus physiques sous-jacents communs actifs dans l’univers aux époques précoces et tardives, qui affectent à la fois le FDC et les galaxies
Aperçu de l’univers primordial
L’observation de la polarisation du FDC, principalement les modes B qui sont la cible principale des nouvelles expériences, est le meilleur moyen de comprendre comment les premières perturbations dans la distribution de la matière noire se sont formées peu après l’inflation cosmique du Big Bang. Celles-ci se sont ensuite développées et ont conduit à la formation des galaxies que nous voyons aujourd’hui. «L’effet de lentille gravitationnelle du FDC peut toutefois masquer le signal de l’inflation. Il crée des modes B parasites qui génèrent de la confusion. Idéalement, nous devrions "annuler", ou prendre en compte, l’effet de lentille pour mesurer réellement le signal primordial», note Giulio Fabbian. Pour ce faire, les chercheurs ont besoin de mesures précises de la distribution de la matière dans l’univers, qui est responsable de l’effet de lentille du FDC. C’est là qu’interviennent les études sur les galaxies. PiCOGAMBAS a identifié et modélisé de nouveaux effets découlant des simplifications employées sur le terrain pour la modélisation et l’analyse du FDC, des cartes de lentilles du FDC et de leurs signaux de corrélation croisée. «L’inquiétude est qu’ils pourraient conduire à une déduction incorrecte des propriétés de l’énergie noire, de la matière noire ou de l’histoire de l’expansion de l’univers», ajoute Giulio Fabbian.
Test des modèles de matière noire, d’énergie noire et d’inflation
En utilisant les données optiques de la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA), en combinaison avec des mesures de l’effet de lentille du FDC, PiCOGAMBAS a testé l’histoire de l’expansion de l’univers et les propriétés de la matière noire. Gaia a été initialement conçue pour mesurer le mouvement des étoiles dans nos galaxies, mais elle a découvert par hasard de nombreuses galaxies massives lointaines alimentées par des trous noirs supermassifs, connus sous le nom de quasars. «Nous avons travaillé dur pour séparer les étoiles résiduelles de ces quasars candidats à l’aide de techniques d’apprentissage automatique et de données astronomiques externes», explique Giulio Fabbian. La génération actuelle de données laisse entrevoir des tensions entre les mesures effectuées dans l’univers tardif à partir de relevés de galaxies effectués depuis la Terre et les prédictions du modèle ΛCDM principalement dérivées des observations du FDC. Ce nouveau catalogue de haute qualité a permis au projet de montrer que les tensions cosmologiques n’existent pas, mais qu’il s’agit probablement d’effets d’observation, ou de limitations, des données au sol. Il a également permis à Giulio Fabbian d’analyser le modèle ΛCDM à une époque nouvelle, sans précédent, et de montrer que la cosmologie déduite du FDC semble cohérente sur 12 milliards d’années d’histoire de l’univers. «Nous avons fourni de nouveaux moyens et outils statistiques pour tester les modèles de matière noire, d’énergie noire et d’inflation.» Il s’agit notamment de combiner les vides cosmiques (régions de l’espace où l’on ne voit pas de galaxies) et les cartes de l’effet de lentille du FDC. «Nous avons également examiné les écarts par rapport à la loi de Planck du FDC et leur corrélation avec les cartes des anisotropies du FDC», explique Giulio Fabbian. Ces résultats seront utilisés pour l’analyse des prochaines données du satellite Euclid de l’ESA et de l’observatoire Simons. Giulio Fabbian se réjouit de ce travail à venir: «Nous allons améliorer massivement notre connaissance de l’univers dans les années à venir».
Mots‑clés
PiCOGAMBAS, univers primordial, matière noire, énergie noire, fond diffus cosmologique