Les données finales du Dark Energy Survey bousculent notre compréhension de l'évolution cosmique

Les dernières données du Dark Energy Survey remettent en question notre compréhension de l'évolution cosmique

Après six ans passés à scruter le ciel austral, le Dark Energy Survey (DES) a publié son analyse définitive de l'année 6 (Y6), offrant l'un des tests de résistance les plus rigoureux du modèle standard de la cosmologie à ce jour. En cartographiant les positions et les formes de près de 150 millions de galaxies sur 5 000 degrés carrés, une équipe internationale de chercheurs a sondé l'histoire de l'univers, vieille de 13,8 milliards d'années, avec une précision sans précédent. Les conclusions, menées par une vaste collaboration incluant des chercheurs tels que J. Fang, Y. Zhang et J. Carretero, renforcent une divergence persistante et provocante : l'univers moderne semble moins « grumeleux » que ce que suggèrent les conditions de l'univers primitif. Cette « tension S8 » pourrait signaler que notre compréhension actuelle de la physique — en particulier le modèle Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM) — nécessite une révision fondamentale pour rendre compte de l'évolution des structures cosmiques.

Le Dark Energy Survey, basé au Blanco Telescope au Chili et géré en partie par le Fermi National Accelerator Laboratory, a été conçu pour étudier la nature de l'énergie noire, cette force mystérieuse qui stimule l'expansion accélérée de l'univers. Les résultats de l'année 6 représentent l'aboutissement d'une demi-décennie d'observations et de plusieurs années d'analyse rigoureuse « en aveugle », un processus par lequel les scientifiques s'empêchent de connaître les résultats finaux pour éviter tout biais de confirmation. En analysant la structure à grande échelle de l'univers, la collaboration DES vise à déterminer comment la matière noire s'est agglomérée au fil des éons et comment l'énergie noire a lutté contre cette agglomération en étirant le tissu même de l'espace-temps.

La méthodologie de la cartographie cosmique

Pour obtenir ces résultats, la collaboration a utilisé une méthodologie sophistiquée connue sous le nom d'analyse « 3x2pt », qui combine trois fonctions de corrélation à deux points différentes. Premièrement, les chercheurs ont mesuré le « cisaillement cosmique » d'environ 140 millions de galaxies sources. Cela consiste à détecter les minuscules distorsions de la forme des galaxies lointaines causées par l'attraction gravitationnelle de la matière noire intermédiaire — un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle faible. Deuxièmement, ils ont analysé le « regroupement des galaxies » de 9 millions de galaxies lentilles, cartographiant leurs positions spécifiques pour voir comment les galaxies se regroupent naturellement. Enfin, ils ont réalisé un « lentillage galaxie-galaxie », une technique de corrélation croisée qui lie les positions des galaxies lentilles d'avant-plan aux formes déformées des galaxies sources d'arrière-plan. Cette approche multidimensionnelle permet une mesure cohérente de la quantité totale de matière dans l'univers et du degré de concentration de celle-ci.

La principale mesure utilisée pour décrire cette concentration est le paramètre S8, qui représente l'amplitude de regroupement de la matière. Selon l'analyse 3x2pt de l'année 6 du DES, la valeur de S8 a été mesurée à 0,789 ± 0,012, tandis que la densité totale de matière (Ωm) s'est avérée être de 0,333. Ces chiffres sont remarquablement précis, mais ils sont en tension avec les prédictions dérivées du fond diffus cosmologique (CMB) — la « lueur résiduelle » du Big Bang. Les données du satellite Planck, ainsi que de l'Atacama Cosmology Telescope (ACT-DR6) et du South Pole Telescope (SPT-3G), suggèrent une valeur S8 plus élevée, ce qui signifie que l'univers primitif prédit un univers moderne plus aggloméré que ce que le DES observe réellement.

La « tension S8 » grandissante

Cette divergence, connue sous le nom de tension S8, est devenue un point central de la cosmologie moderne. Les résultats de l'année 6 du DES montrent une tension de 2,6 sigmas lorsqu'ils sont projetés sur le seul paramètre S8 par rapport aux ensembles de données d'anisotropie primaire du CMB. Lorsque l'espace complet des paramètres est pris en compte, la différence est d'environ 1,8 sigma. Bien que ces chiffres puissent paraître faibles pour un profane, dans le monde de la physique de haute précision, ils représentent une « fissure » persistante dans le modèle standard. Si l'univers primitif (le CMB) et l'univers tardif (les galaxies cartographiées par le DES) ne s'alignent pas, cela suggère que quelque chose s'est produit au cours des milliards d'années d'évolution cosmique que nos équations actuelles ne saisissent pas. L'univers est effectivement plus « lisse » que ce que nous pensions à ce stade de son existence.

La robustesse statistique de cette découverte est renforcée par l'ampleur même de la collaboration DES. Avec des contributions d'institutions telles que l'University of Chicago, Princeton University et l'University College London, l'étude a fait l'objet de vérifications systématiques exhaustives. Les chercheurs ont tenu compte de variables telles que les erreurs de décalage vers le rouge photométrique (estimation des distances galactiques), l'alignement intrinsèque des galaxies et les effets du « feedback baryonique » — la manière dont le gaz et les étoiles au sein des galaxies peuvent déplacer la matière et brouiller le signal de la matière noire. Malgré ces corrections, la tension S8 persiste, ce qui suggère que le résultat est une caractéristique de l'univers plutôt qu'une erreur de mesure.

Au-delà du modèle standard : wCDM et nouvelle physique

En plus du modèle standard ΛCDM, où l'énergie noire est traitée comme une « constante cosmologique » invariable, les chercheurs ont également modélisé leurs données à l'aide du cadre wCDM. Dans cette version de l'univers, le paramètre de l'équation d'état de l'énergie noire (w) est autorisé à varier. Les résultats 3x2pt de l'Y6 ont donné une valeur de w de -1,12, ce qui est cohérent avec la constante cosmologique (w = -1) mais laisse place à une énergie noire « dynamique » qui change au fil du temps. Lorsque les données 3x2pt du DES ont été combinées avec d'autres ensembles de données à faible décalage vers le rouge — y compris les supernovas (SNe Ia), les oscillations acoustiques de baryons (BAO) et les amas de galaxies — la tension avec le CMB est passée à 2,8 sigmas dans le modèle ΛCDM.

Qu'est-ce qui pourrait expliquer cet écart ? Les cosmologues envisagent désormais plusieurs scénarios de « nouvelle physique ». Une possibilité est que l'énergie noire ne soit pas une force constante mais qu'elle évolue, modifiant le taux d'expansion cosmique d'une manière qui inhibe la croissance des structures. Une autre hypothèse concerne la masse des neutrinos ; l'ajustement conjoint de l'Y6 du DES avec les données du CMB et des BAO a produit les contraintes les plus serrées à ce jour sur la somme des masses des neutrinos, les trouvant inférieures à 0,14 eV. Si les neutrinos ou d'autres particules « sombres » se comportent différemment que prévu, ils pourraient exercer une pression subtile qui empêche la matière de s'agglomérer aussi étroitement que ne le prédisent les données de Planck.

L'héritage du Dark Energy Survey

La publication des résultats de l'année 6 marque une étape importante pour la collaboration du Dark Energy Survey. En combinant toutes les sondes du DES — lentilles gravitationnelles faibles, regroupement, supernovas et amas — l'équipe a créé une carte définitive de l'univers à faible décalage vers le rouge. Cet ensemble de données servira de référence pour les années à venir, fournissant une base pour la prochaine génération d'observatoires. L'impact élevé de ce travail se reflète dans sa précision ; l'ajustement conjoint de l'Y6 3x2pt avec le CMB et d'autres ensembles de données a produit les paramètres cosmologiques les plus contraints à ce jour : une densité de matière de 0,302 et une constante de Hubble (h) de 0,683.

À l'avenir, la « crise de la cosmologie » sera probablement résolue par des relevés encore plus vastes. Le Legacy Survey of Space and Time (LSST) de l'Observatoire Vera C. Rubin et la mission Euclid de l'Agence spatiale européenne s'apprêtent à observer des milliards de galaxies, éclipsant les 150 millions analysées par le DES. Ces projets à venir confirmeront soit que la tension S8 est le signe d'une nouvelle physique révolutionnaire, soit qu'il s'agissait d'une fluctuation statistique. Pour l'heure, les résultats de l'année 6 du DES témoignent de l'ingéniosité humaine, offrant une vision plus claire — bien que plus mystérieuse — des forces obscures qui façonnent notre réalité. Comme le concluent J. Fang, Y. Zhang et leurs collègues, l'univers continue de receler des secrets qui défient nos hypothèses les plus fondamentales sur la nature de l'espace et du temps.