Les ombres dans la rémanence du Big Bang révèlent des structures cosmiques invisibles

Près de 400,000 XNUMX ans après le Big Bang, le plasma primordial de l'univers naissant s'est suffisamment refroidi pour que les premiers atomes fusionnent, laissant de la place au rayonnement intégré pour s'envoler librement. Cette lumière - le fond cosmique des micro-ondes (CMB) - continue de traverser le ciel dans toutes les directions, diffusant un instantané de l'univers primitif qui est capté par des télescopes dédiés et même révélé en statique sur les vieux téléviseurs à rayons cathodiques.

Après que les scientifiques ont découvert le rayonnement CMB en 1965, ils ont méticuleusement cartographié ses minuscules variations de température, qui affichaient l'état exact du cosmos quand c'était un simple plasma moussant. Maintenant, ils réorientent les données du CMB pour cataloguer les structures à grande échelle qui se sont développées sur des milliards d'années à mesure que l'univers mûrissait.

"Cette lumière a connu une grande partie de l'histoire de l'univers, et en voyant comment elle a changé, nous pouvons en apprendre davantage sur les différentes époques", a déclaré Kimmy Wu, cosmologiste au SLAC National Accelerator Laboratory.

Au cours de son voyage de près de 14 milliards d'années, la lumière du CMB a été étirée, pressée et déformée par toute la matière sur son passage. Les cosmologistes commencent à regarder au-delà des fluctuations primaires de la lumière du CMB vers les empreintes secondaires laissées par les interactions avec les galaxies et d'autres structures cosmiques. À partir de ces signaux, ils obtiennent une vision plus précise de la distribution de la matière ordinaire – tout ce qui est composé de parties atomiques – et de la mystérieuse matière noire. À leur tour, ces idées aident à résoudre certains mystères cosmologiques de longue date et à en poser de nouveaux.

« Nous nous rendons compte que le CMB ne nous renseigne pas seulement sur les conditions initiales de l'univers. Cela nous renseigne également sur les galaxies elles-mêmes », a déclaré Emmanuel Schaan, également cosmologiste au SLAC. "Et cela s'avère être vraiment puissant."

Un univers d'ombres

Les relevés optiques standard, qui suivent la lumière émise par les étoiles, négligent la majeure partie de la masse sous-jacente des galaxies. C'est parce que la grande majorité de la matière totale contenue dans l'univers est invisible pour les télescopes - dissimulée sous forme d'amas de matière noire ou de gaz ionisé diffus qui relie les galaxies. Mais la matière noire et le gaz éparpillé laissent des empreintes détectables sur le grossissement et la couleur de la lumière CMB entrante.

"L'univers est vraiment un théâtre d'ombres dans lequel les galaxies sont les protagonistes et le CMB est le contre-jour", a déclaré Schaan.

De nombreux joueurs de l'ombre sont maintenant en relève.

Lorsque des particules lumineuses, ou photons, du CMB dispersent des électrons dans le gaz entre les galaxies, elles sont projetées à des énergies plus élevées. De plus, si ces galaxies sont en mouvement par rapport à l'univers en expansion, les photons du CMB subissent un deuxième changement d'énergie, vers le haut ou vers le bas, selon le mouvement relatif de l'amas.

Cette paire d'effets, connus respectivement sous le nom d'effets thermique et cinématique Sunyaev-Zel'dovich (SZ), a été d'abord théorisé à la fin des années 1960 et ont été détectés avec une précision croissante au cours de la dernière décennie. Ensemble, les effets SZ laissent une signature caractéristique qui peut être extraite des images CMB, permettant aux scientifiques de cartographier l'emplacement et la température de toute la matière ordinaire dans l'univers.

Enfin, un troisième effet connu sous le nom de lentille gravitationnelle faible déforme le chemin de la lumière CMB lorsqu'elle se déplace à proximité d'objets massifs, déformant le CMB comme s'il était vu à travers la base d'un verre à vin. Contrairement aux effets SZ, la lentille est sensible à toute matière - sombre ou autre.

Pris ensemble, ces effets permettent aux cosmologistes de séparer la matière ordinaire de la matière noire. Ensuite, les scientifiques peuvent superposer ces cartes avec des images d'enquêtes sur les galaxies pour évaluer les distances cosmiques et même tracer la formation d'étoiles.

In compagnon papiers en 2021, une équipe dirigée par Schaan et Stefania Amodeo, qui se trouve maintenant à l'Observatoire astronomique de Strasbourg en France, a mis cette approche en pratique. Ils ont examiné les données CMB prises par l'agence spatiale européenne Satellite de Planck et le terrain Télescope de cosmologie d'Atacama, puis empilé sur ces cartes un relevé optique supplémentaire de près de 500,000 XNUMX galaxies. La technique leur a permis de mesurer l'alignement de la matière ordinaire et de la matière noire.

L'analyse a montré que le gaz de la région n'étreignait pas son réseau de matière noire aussi étroitement que de nombreux modèles l'avaient prédit. Au lieu de cela, cela suggère que les explosions de supernovas et l'accrétion de trous noirs supermassifs ont éloigné le gaz de ses nœuds de matière noire, l'étalant de sorte qu'il était trop mince et trop froid pour que les télescopes conventionnels puissent le détecter.

Repérer ce gaz diffus dans les ombres du CMB a aidé les scientifiques à s'attaquer davantage au soi-disant problème de baryons manquants. Il a également fourni des estimations de la force et de la température des explosions de dispersion - des données que les scientifiques utilisent maintenant pour affiner leurs modèles d'évolution des galaxies et de la structure à grande échelle de l'univers.

Ces dernières années, les cosmologistes ont été intrigués par le fait que la distribution observée de la matière dans l'univers moderne est plus lisse que la théorie ne le prédit. Si les explosions recyclant le gaz intergalactique sont plus énergétiques que ne le supposaient les scientifiques, comme le montrent les récents travaux de Schaan, Amodeo et autres semble suggérer que ces explosions pourraient être en partie responsables de la propagation plus uniforme de la matière dans l'univers, a déclaré Colin Colline, cosmologiste à l'Université de Columbia qui travaille également sur les signatures CMB. Dans les mois à venir, Hill et ses collègues du Atacama Cosmology Telescope prévoient de dévoiler une carte mise à jour des ombres du CMB avec un saut notable à la fois dans la couverture et la sensibilité du ciel.

"Nous avons seulement commencé à effleurer la surface de ce que vous pouvez faire avec cette carte", a déclaré Hill. « C'est une amélioration sensationnelle par rapport à tout ce qui a précédé. C'est difficile de croire que c'est réel.

Nuances de l'inconnu

Le CMB était un élément de preuve clé qui a aidé à établir le modèle standard de la cosmologie - le cadre central que les chercheurs utilisent pour comprendre l'origine, la composition et la forme de l'univers. Mais les études de rétroéclairage CMB menacent maintenant de percer des trous dans cette histoire.

"Ce paradigme a vraiment survécu au test des mesures de précision - jusqu'à récemment", a déclaré Eichiro Komatsu, cosmologiste à l'Institut Max Planck d'astrophysique qui a travaillé pour établir la théorie en tant que membre de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, qui a cartographié le CMB entre 2001 et 2010. "Nous sommes peut-être à la croisée des chemins... d'un nouveau modèle de l'univers .”

Au cours des deux dernières années, Komatsu et ses collègues ont enquêté sur les indices d'un nouveau personnage sur la scène du théâtre d'ombres. Le signal apparaît dans la polarisation, ou l'orientation, des ondes lumineuses du CMB, qui, selon le modèle standard de la cosmologie, devrait rester constante pendant le voyage des ondes à travers l'univers. Mais, comme théorisé il y a trois décennies par Sean Carroll et ses collègues, cette polarisation pourrait être tournée par un champ de matière noire, d'énergie noire ou d'une particule totalement nouvelle. Un tel champ ferait voyager des photons de polarisations différentes à des vitesses différentes et ferait tourner la polarisation nette de la lumière, une propriété connue sous le nom de "biréfringence" partagée par certains cristaux, tels que ceux qui activent les écrans LCD. En 2020, l'équipe de Komatsu découverte rapportée une petite rotation dans la polarisation du CMB - environ 0.35 degrés. Une étude de suivi publié l'année dernière renforcé ce résultat antérieur.

Si l'étude de polarisation ou un autre résultat liée à la distribution des galaxies est confirmée, cela impliquerait que l'univers n'a pas la même apparence dans toutes les directions pour tous les observateurs. Pour Hill et bien d'autres, les deux résultats sont alléchants mais pas encore définitifs. Des études de suivi sont en cours pour étudier ces indices et exclure les effets de confusion potentiels. Certains ont même proposé un site dédié vaisseau spatial "d'astronomie à contre-jour" qui inspecterait davantage les différentes ombres.

"Il y a cinq à dix ans, les gens pensaient que la cosmologie était finie", a déclaré Komatsu. « Cela change maintenant. Nous entrons dans une nouvelle ère. »