De nouveaux rayons X révèlent un univers aussi grumeleux que le prédit la cosmologie | Magazine Quanta

Des amas de centaines ou de milliers de galaxies se trouvent aux intersections de filaments de matière géants et entrecroisés qui forment la tapisserie du cosmos. Alors que la gravité attire tout ce qui se trouve dans chaque amas de galaxies vers son centre, le gaz qui remplit l'espace entre les galaxies est comprimé, le faisant chauffer et briller dans les rayons X.

Le télescope à rayons X eRosita, lancé dans l’espace en 2019, a passé plus de deux ans à collecter des pings de lumière à haute énergie provenant de partout dans le ciel. Les données ont permis aux scientifiques de cartographier l’emplacement et la taille de milliers d’amas de galaxies, dont les deux tiers étaient inconnus auparavant. Dans une multitude de papiers mis en ligne le 14 février qui paraîtra dans le journal Astronomie et astrophysique, les scientifiques ont utilisé leur catalogue initial de clusters pour se prononcer sur plusieurs des grandes questions de la cosmologie.

Les résultats incluent de nouvelles estimations de l’agglomération du cosmos – une caractéristique très discutée ces derniers temps, comme d'autres mesures récentes l'ont révélé étonnamment lisse - et des masses de particules fantomatiques appelées neutrinos et d'une propriété clé de l'énergie noire, la mystérieuse énergie répulsive qui accélère l'expansion de l'univers.

Le modèle dominant de l'univers des cosmologistes identifie l'énergie noire comme l'énergie de l'espace lui-même et la relie à 70 % du contenu de l'univers. Un autre quart de l'univers est constitué de matière noire invisible, et 5 % sont constitués de matière ordinaire et de rayonnement. Tout cela évolue sous la force de la gravité. Mais certaines observations de la dernière décennie défient ce « modèle standard » de la cosmologie, soulevant la possibilité que le modèle manque d’ingrédients ou d’effets qui pourraient ouvrir la voie à une compréhension plus profonde.

Les observations d’eRosita, en revanche, renforcent le tableau existant à tous égards. "C'est une remarquable confirmation du modèle standard", a déclaré Dragan Huterer, cosmologue à l'Université du Michigan qui n'a pas participé aux travaux.

Radiographier le cosmos

Après le Big Bang, de subtiles variations de densité dans l'univers nouveau-né sont devenues progressivement plus prononcées à mesure que les particules de matière se superposaient les unes aux autres. Les touffes les plus denses ont attiré plus de matière et sont devenues plus grosses. Aujourd’hui, les amas de galaxies constituent les plus grandes structures gravitationnellement liées du cosmos. Déterminer leur taille et leur répartition permet aux cosmologistes de tester leur modèle de l'évolution de l'univers.

Pour trouver des clusters, l'équipe d'eRosita a formé un algorithme informatique pour rechercher des sources de rayons X « vraiment pelucheuses » par opposition aux objets ponctuels, a déclaré Esra Bulbul de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre à Garching, en Allemagne, qui a dirigé les observations des clusters d'eRosita. Ils ont réduit une liste de candidats à un « échantillon extrêmement pur », a-t-elle déclaré, de 5,259 1 amas de galaxies, sur près d’un million de sources de rayons X détectées par le télescope.

Ils ont ensuite dû déterminer le poids de ces clusters. Les objets massifs plient le tissu de l’espace-temps, changeant la direction du passage de la lumière et donnant l’impression que la source de lumière est déformée – un phénomène appelé lentille gravitationnelle. Les scientifiques d'eRosita ont pu calculer les masses de certains de leurs 5,259 XNUMX amas en se basant sur l'optique de galaxies plus lointaines situées derrière eux. Alors que seulement un tiers de leurs amas avaient des galaxies de fond alignées de cette manière, les scientifiques ont découvert que la masse de l'amas était fortement corrélée à la luminosité de leurs rayons X. En raison de cette forte corrélation, ils pourraient utiliser la luminosité pour estimer les masses des amas restants.

Ils ont ensuite introduit les informations de masse dans des simulations informatiques du cosmos en évolution pour en déduire les valeurs des paramètres cosmiques.

Évaluer les grumeaux

Un nombre intéressant est le « facteur d’agglomération » de l’univers, S₈. Un S₈ une valeur de zéro représenterait un vaste néant cosmique, semblable à une plaine plate sans aucun rocher en vue. Un S₈ une valeur plus proche de 1 correspond à des montagnes escarpées dominant des vallées profondes. Les scientifiques ont estimé S₈ basé sur des mesures du fond diffus cosmologique (CMB) – une lumière ancienne provenant du premier univers. En extrapolant à partir des variations initiales de densité du cosmos, les chercheurs s'attendent à ce que S₈ la valeur est de 0.83.

Mais des études récentes En regardant les galaxies d'aujourd'hui, nous avons mesuré des valeurs inférieures de 8 à 10 %, ce qui implique que l'univers est étonnamment lisse. Cette divergence a intrigué les cosmologistes, pointant potentiellement vers des fissures dans le modèle cosmologique standard.

L’équipe d’eRosita n’a cependant trouvé aucune différence de ce type. "Notre résultat était fondamentalement conforme aux prévisions du CMB dès le début", a déclaré Vittorio Ghirardini, qui a dirigé l’analyse. Lui et ses collègues ont calculé un S₈ de 0.85.

Certains membres de l'équipe ont été déçus, a déclaré Ghirardini, car faire allusion à des ingrédients manquants était une perspective plus excitante que de correspondre à la théorie connue.

Le S₈ une valeur légèrement supérieure à l'estimation du CMB déclenchera probablement davantage d'analyses de la part d'autres équipes, a déclaré Gerrit Schellenberger, astrophysicien qui étudie les amas de galaxies au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Je pense que ce n'est probablement pas le dernier article que nous lisons sur ce sujet."

Peser les neutrinos

De nombreux neutrinos se sont formés au début de l'univers – presque autant que de photons (particules de lumière), selon Marilena Loverde, cosmologiste à l'Université de Washington. Mais les physiciens savent que les neutrinos, contrairement aux photons, doit avoir de petites masses en raison de la façon dont ils oscillent entre trois types. Les particules n’acquièrent pas de masse par le même mécanisme que les autres particules élémentaires, leur masse est donc un mystère très étudié. Et la première question est de savoir quelle est leur ampleur réelle.

Les cosmologues peuvent estimer la masse des neutrinos en étudiant leurs effets sur la structure du cosmos. Les neutrinos se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière et traversent d'autres matières plutôt que de s'y accrocher. Leur présence dans le cosmos a donc atténué son caractère aggloméré. "Plus vous attribuez de masse aux neutrinos, plus la masse est lisse à ces [grandes] échelles", a déclaré Loverde.

En combinant leurs mesures d'amas de galaxies avec les mesures du CMB, l'équipe d'eRosita a estimé que la somme des masses des trois types de neutrinos ne dépasse pas 0.11 électron-volt (eV), soit moins d'un millionième de la masse d'un électron. D'autres expériences sur les neutrinos ont établi une limite inférieure, montrant que les trois masses des neutrinos doivent totaliser au moins 0.06 eV (pour un ordre possible des trois valeurs de masse) ou 0.1 eV (pour l'ordre inversé). À mesure que la distance entre les limites supérieure et inférieure diminue, les scientifiques se rapprochent de la valeur précise de la masse des neutrinos. "Nous sommes en fait sur le point de réaliser une percée", a déclaré Bulbul. Dans les publications de données ultérieures, l’équipe d’eRosita pourrait abaisser suffisamment la limite supérieure pour exclure les modèles de masse des neutrinos d’ordre inversé.

La prudence est de mise. Toute autre particule rapide et légère qui pourrait exister, comme axion, particules hypothétiques proposées comme candidates à la matière noire – auraient les mêmes effets sur la formation des structures. Et ils introduiraient des erreurs dans la mesure de la masse des neutrinos.

Suivi de l'énergie noire

Les mesures des amas de galaxies peuvent révéler non seulement comment les structures se sont développées, mais aussi comment leur croissance a été entravée par l'énergie sombre – la fine couche d'énergie répulsive qui imprègne l'espace, accélérant l'expansion de l'espace et séparant ainsi la matière.

Si l'énergie sombre est l'énergie de l'espace lui-même, comme le suppose le modèle standard de la cosmologie, alors elle aura une densité constante dans l'espace et dans le temps (c'est pourquoi on l'appelle parfois la constante cosmologique). Mais si sa densité diminue avec le temps, alors c’est tout autre chose. "C'est la plus grande question que se pose la cosmologie", a déclaré Sebastian Grandis, membre de l'équipe eRosita à l'Université d'Innsbruck en Autriche.

À partir de leur carte de milliers d’amas, les chercheurs ont découvert que l’énergie noire correspond au profil d’une constante cosmologique, bien que leur mesure présente une incertitude de 10 %, de sorte qu’une densité d’énergie noire très légèrement variable reste possible.

À l’origine, eRosita, installé à bord d’un vaisseau spatial russe, devait effectuer huit relevés du ciel complet, mais en février 2022, quelques semaines après le début de son cinquième relevé, la Russie a envahi l’Ukraine. En réponse, la partie allemande de la collaboration, qui exploite et gère eRosita, a mis le télescope en mode sans échec, mettant fin à toutes les observations scientifiques.

Ces premiers articles s’appuient uniquement sur les six premiers mois de données. Le groupe allemand s’attend à trouver environ quatre fois plus d’amas de galaxies au cours des 1.5 années supplémentaires d’observations, ce qui permettra de localiser tous ces paramètres cosmologiques avec plus de précision. "La cosmologie des clusters pourrait être la sonde cosmologique la plus sensible autre que le CMB", a déclaré Anja von der Linden, astrophysicien à l'Université Stony Brook.

Leurs premiers résultats démontrent la puissance d’une source d’information relativement inexploitée. «Nous sommes en quelque sorte les petits nouveaux du quartier», a déclaré Grandis.