Des quasars cartographient la matière noire sur 10 milliards d'années-lumière

Comment les quasars aident-ils à cartographier la matière noire ?

Les quasars aident à cartographier la matière noire en agissant comme des traceurs lumineux résidant au sein de halos invisibles massifs, révélant la structure gravitationnelle sous-jacente de l'univers. Parce que ces trous noirs supermassifs se regroupent dans des régions de haute densité, leur répartition spatiale permet aux astronomes de déduire la distribution de la matière noire à travers des milliards d'années-lumière, bien que la matière elle-même n'émette aucune lumière.

La Structure à grande échelle de l'Univers est souvent décrite comme une « toile cosmique », un réseau complexe de filaments et de nœuds où la matière se concentre. Cartographier cette toile est une tâche monumentale car la grande majorité de sa masse est constituée de matière noire, qui n'interagit pas avec le rayonnement électromagnétique. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs Guilhem Lavaux, Jens Jasche et Arthur Loureiro ont utilisé le catalogue de quasars Quaia récemment publié. En traitant les quasars comme des « balises cosmologiques », l'équipe a pu reconstruire le « squelette » tridimensionnel de l'univers sur une étendue record de 10 milliards d'années-lumière.

Les quasars sont particulièrement utiles pour ce type de reconstruction en raison de leur luminosité extrême, qui permet de les observer sur de vastes plages de « redshift » (décalage vers le rouge). Cette étude a exploité les données du satellite Gaia pour créer deux échantillons principaux : l'échantillon « Clean » (G < 20,0) et l'échantillon « Deep » (G < 20,5). Ces échantillons offrent une couverture complète du ciel qui est essentielle pour comprendre comment la matière s'est agglomérée au cours du temps cosmique. En analysant le « biais des quasars » — la relation mathématique entre l'emplacement des quasars et les zones de plus forte concentration de matière — les chercheurs ont pu visualiser l'échafaudage invisible du cosmos à une échelle sans précédent.

Comment la mission Gaia contribue-t-elle à la cosmologie ?

La mission Gaia contribue à la cosmologie en fournissant des données astrométriques précises pour des milliards d'objets célestes, permettant ainsi la création de cartes 3D détaillées de l'univers. Bien que conçue à l'origine pour cartographier la Voie Lactée, les capacités de relevé de tout le ciel de Gaia permettent désormais aux cosmologues de relier les structures galactiques locales à la Structure à grande échelle de l'Univers et de tester des théories fondamentales de la physique.

Bien que Gaia soit principalement connue pour son impact révolutionnaire sur l'archéologie galactique, sa capacité à identifier et à catégoriser des millions de quasars a ouvert de nouvelles portes pour la cosmologie au niveau du champ. Le catalogue Quaia, dérivé des données de magnitude de Gaia dans la large bande optique, offre un avantage unique : il fournit une vue cohérente de l'ensemble du ciel que les télescopes terrestres peinent souvent à égaler en raison des interférences atmosphériques et de leur champ de vision limité. Cette couverture complète est vitale pour l'inférence au niveau du champ, une méthode qui reconstruit l'intégralité du champ de densité plutôt que de simplement calculer des statistiques moyennes.

Pour traiter cet ensemble massif de données, l'équipe de recherche a utilisé l'algorithme BORG (Bayesian Origin Reconstruction from Galaxies). Ce cadre sophistiqué utilise un « modèle direct » basé sur la physique pour simuler l'évolution de l'univers. La méthodologie intègre plusieurs facteurs critiques :

• Théorie des perturbations lagrangiennes : Un cadre mathématique utilisé pour modéliser le mouvement de la matière depuis l'univers primitif jusqu'à nos jours.
• Effets de cône de lumière : Des ajustements qui tiennent compte du fait que nous voyons les objets lointains tels qu'ils étaient dans le passé, et non tels qu'ils sont aujourd'hui.
• Distorsions dans l'espace des redshifts : Corrections pour le déplacement apparent des objets causé par leurs vitesses particulières vers nous ou s'éloignant de nous.
• Effets de sélection des relevés : Prise en compte des « coupes du ciel » et de la contamination par l'avant-plan pour garantir que les données sont représentatives de la véritable distribution cosmique.

À quoi ressemblait l'univers au moment du Big Bang ?

Au moment du Big Bang, l'univers était un plasma incroyablement chaud, dense et presque uniforme où la matière et l'énergie étaient indiscernables. Les fluctuations quantiques microscopiques de cet état primordial ont servi de « graines » pour toutes les structures futures, finissant par s'effondrer sous l'effet de la gravité pour former les halos de matière noire et les galaxies observés dans la toile cosmique moderne.

L'une des réalisations les plus profondes de l'algorithme BORG est sa capacité à effectuer une « rétro-ingénierie » à l'échelle cosmique. En appliquant cet algorithme au catalogue Quaia, Lavaux, Jasche et Loureiro ont pu reconstruire les conditions initiales de l'univers — créant ainsi une carte de ce à quoi ressemblait le cosmos peu après le Big Bang. Ce processus consiste à retracer les trajectoires des particules à rebours dans le temps, en tenant compte de l'expansion de l'espace et de l'attraction gravitationnelle des structures en évolution.

Les reconstructions qui en résultent couvrent un volume comobile de (10h⁻¹ Gpc)³ avec une résolution spatiale de 39,1 h⁻¹Mpc. Cela représente la plus grande reconstruction au niveau du champ de l'univers observable à ce jour. En comblant le fossé entre les graines primordiales de l'univers primitif et la distribution actuelle de la matière noire, l'étude fournit un récit continu de l'évolution cosmique. Les chercheurs ont validé ces cartes par corrélation croisée avec les données de lentillage du CMB de Planck, détectant un signal à une signification d'environ 4σ, ce qui confirme que leurs modèles 3D reflètent fidèlement la distribution réelle de la masse dans l'univers.

L'importance de l'inférence au niveau du champ

L'inférence au niveau du champ représente un changement dans la façon dont nous étudions le cosmos. Les méthodes traditionnelles s'appuient souvent sur des fonctions de corrélation à deux points, qui examinent la distance moyenne entre des paires de galaxies. Cependant, l'inférence au niveau du champ, telle qu'utilisée dans cette étude, tente de reconstruire la densité spécifique en chaque point de l'espace. Cela fournit un produit de données de haute fidélité, incluant des cartes postérieures des conditions initiales, de la densité de matière noire actuelle et des champs de vitesse. Ces cartes permettent aux scientifiques de voir non seulement les propriétés moyennes de l'univers, mais aussi la « toile » spécifique qui relie les galaxies entre elles à travers 10 milliards d'années-lumière.

Implications futures et énergie noire

Les implications de cette carte 3D vont bien au-delà de la simple visualisation ; elles fournissent un nouvel outil pour sonder les mystères de l'énergie noire. En comprenant la croissance précise des structures cosmiques au cours des 10 derniers milliards d'années, les scientifiques peuvent mieux mesurer comment l'énergie noire a accéléré l'expansion de l'univers. Le cadre établi dans ce travail est conçu pour être évolutif, ce qui signifie qu'il peut être appliqué aux futurs relevés à grand champ des missions à venir comme Euclid ou l'Observatoire Vera C. Rubin.

En résumé, l'utilisation du catalogue de quasars Quaia et de l'algorithme BORG a transformé notre capacité à voir l'invisible. En traçant les trajectoires des balises les plus lointaines du ciel, les chercheurs ont cartographié le squelette de matière noire de notre univers, offrant une fenêtre sur le passé qui remonte jusqu'à l'aube des temps. Ce travail fournit non seulement une carte haute résolution du cosmos actuel, mais établit également une méthodologie robuste pour toutes les tentatives futures de décoder l'histoire du Big Bang et l'évolution de la structure à grande échelle.