Le cartographe cosmique Brent Tully inspectait les dernières cartes de haute précision de son équipe des positions et des mouvements de 56 000 galaxies dans l’univers local lorsqu’il a remarqué une structure colossale en forme d’anneau.
« Elle faisait un milliard d’années-lumière de diamètre », se souvient son collègue Daniel Pomarède de l’université Paris-Saclay. « C’est exactement ce à quoi on s’attend pour un obus BAO. Je travaille avec Brent depuis 13 ans et nous n’avons jamais parlé de la possibilité de découvrir un BAO.
BAO signifie «oscillation acoustique baryonique», une sorte d’onde sonore figée créée par des processus proches de la nuit des temps. Pendant les premières centaines de milliers d’années qui ont suivi le big bang, l’univers entier était un plasma dense et boursouflé semblable à l’intérieur du soleil, avec des points de chaleur qui émettaient des ondes de pression. Mais une fois que le cosmos en expansion a atteint l’âge de 380 000 ans, le plasma s’est refroidi et s’est aminci, laissant ces oscillations sans milieu à traverser.
Cela a laissé des bulles résiduelles titanesques centrées sur ces anciens points chauds, chacune contenant un peu plus de baryons – des éléments constitutifs de la matière tels que les neutrons et les protons –. Au fil des milliards d’années, la gravité a attiré de la matière supplémentaire dans ces régions denses en baryons, et les galaxies et amas galactiques se sont formés préférentiellement le long de leurs frontières dans des coquilles minces comme de la poussière se déposant sur une bulle de savon. Les astronomes ont aperçu ces modèles à grande échelle lors d’études portant sur des centaines de milliers de galaxies réparties sur de vastes étendues de ciel. Mais personne n’avait jamais repéré un BAO individuel jusqu’à la découverte de Tully et Pomarède, du moins si c’est réel.
Selon les prédictions théoriques, cette formation – que les chercheurs ont baptisée Hoʻoleilana, un terme qui signifie « murmures d’éveil envoyés » en hawaïen – n’est pas tout à fait de la bonne taille pour être un BAO. Cette divergence pourrait impliquer soit que les conditions dans l’univers primitif n’étaient pas tout à fait celles attendues par les astronomes, soit que la structure est un alignement fortuit de galaxies se faisant passer pour un BAO. Tully et Pomarède pensent que leur découverte pourrait être utilisée pour sonder les propriétés fondamentales du cosmos. Mais pour ce faire, ils doivent convaincre le reste de la communauté que le résultat est celui qu’ils croient être.
Pomarède considère que le hasard a joué un grand rôle dans sa carrière. Lors d’une conférence à Ouagadougou, au Burkina Faso, il y a de nombreuses années, il montrait un programme informatique qu’il avait créé pour visualiser des données astronomiques lorsque Tully l’a approché. Tully « m’a regardé et m’a dit : ‘Toute ma vie, j’ai rêvé d’avoir ce logiciel’ », raconte Pomarède.
Depuis, les deux ont travaillé ensemble pour cartographier en détail notre environnement cosmique. En 2014, ils co-découvert le Superamas de Laniakea, un ensemble d’environ 100 000 galaxies proches, dont la Voie lactée, qui s’étend sur un demi-milliard d’années-lumière. Leur ensemble de données le plus récent utilise les informations de plusieurs télescopes pour produire des mesures de distance par rapport aux objets célestes avec un niveau de précision aussi petit que 0,001 pour cent, explique Cullan Howlett de l’Université du Queensland en Australie, qui est également co-auteur de la découverte de Ho’oleilana.
C’est en parcourant cet ensemble de données, qui cartographie des choses plus loin que les catalogues précédents de l’équipe, que Tully a aperçu Ho’oleilana. L’ensemble sphérique de galaxies est situé à environ 820 millions d’années-lumière de la Terre. En son centre se trouvent les superamas de Bootes, deux ensembles d’environ une douzaine d’amas de galaxies, tandis que les bords de la bulle comprennent d’autres structures cosmiques monumentales, telles que la Grande Muraille de Sloan, la Grande Muraille de CfA2 et le Superamas d’Hercule. Les conclusions de l’équipe sont apparues dans deux récent papiers dans le Journal d’astrophysique.
La taille de tout BAO individuel est déterminée par la vitesse du son dans le plasma primordial de l’univers primitif, qui était environ la moitié de la vitesse de la lumière. Cela a créé des ondes de pression avec des amplitudes particulières, qui ont été étirées par l’expansion cosmique ultérieure jusqu’à un peu moins d’un demi-milliard d’années-lumière. Mais le rayon de Ho’oleilana est en réalité environ 10 % plus grand que ce à quoi on pourrait s’attendre avec de tels processus. Pour Tully et ses collègues, cela pourrait indiquer quelque chose d’important à propos de l’univers naissant.
Selon le modèle standard de la cosmologie, ces premiers points chauds auraient dû être dispersés de manière aléatoire dans l’espace. “Mais il se peut qu’il y ait un schéma intrinsèque que le modèle de base de la cosmologie ne prédit pas”, dit Howlett, et ce schéma aurait pu faire en sorte que les choses proches de nous soient plus grandes que ce que l’on suppose naïvement.
On pense que les points chauds eux-mêmes sont nés d’une époque hypothétique bizarre une fraction de seconde après le big bang connu sous le nom d’inflation, au cours de laquelle la taille de l’univers entier a considérablement augmenté. Les fluctuations quantiques subatomiques dans le cosmos primordial auraient été amplifiées à un niveau macroscopique, générant la distribution vraisemblablement aléatoire de zones chaudes et froides qui formeront plus tard les BAO.
L’inflation en tant que concept existe depuis les années 1980, dit Howlett, « mais il existe un million de théories différentes sur les détails exacts de la manière dont elle s’est produite ». En principe, l’élaboration d’explications pour un BAO légèrement surdimensionné pourrait aider les physiciens à réduire cette myriade de théories, idéalement à une seule.
Bien entendu, la taille aberrante du BAO de l’équipe pourrait également conduire à d’autres conclusions. Les contours des bulles d’un milliard d’années-lumière sont extrêmement pâles et ne deviennent apparents que lorsqu’on examine un nombre énorme d’objets sur de grandes distances, explique Kyle Dawson de l’Université de l’Utah, co-porte-parole de l’instrument spectroscopique de l’énergie noire (DESI). . Il est plus enclin à croire que cette dernière découverte est en quelque sorte une coïncidence, un alignement fortuit qui ressemble simplement à une sphère avec un rayon proche de celui attendu pour un BAO.
Cherchant à déterminer la fréquence à laquelle de tels hasards statistiques pourraient se produire, Howlett a créé des simulations informatiques modélisant des univers qu’il a artificiellement lissés pour empêcher les oscillations des points chauds initiaux de se transformer en structures à grande échelle. Sur les 256 simulations qu’il a exécutées, seules deux ont produit des caractéristiques qui ressemblaient à des BAO – et même dans ce cas, elles n’étaient pas aussi semblables à des BAO que Hoʻoleilana. Cela suggère, dit Howlett, que le risque de créer accidentellement de telles structures est inférieur à 1 %.
Dawson n’est pas entièrement convaincu. “Un pour cent arrive encore”, dit-il.
Nathalie Palanque-Delabrouille, l’autre co-porte-parole du DESI, est plus convaincue par les arguments de l’équipe. Après la formation du putatif BAO, les interactions gravitationnelles ultérieures entre les galaxies et les amas auraient pu provoquer des distorsions de sa taille, dit-elle. « C’est effectivement assez proche, ajoute Palanque-Delabrouille. “Le fait que cela ne corresponde pas exactement pourrait simplement être dû au fait que, dans ce cas particulier, les mouvements des galaxies étaient tels que la caractéristique ne correspond plus exactement à celle à laquelle nous nous attendrions.” Elle suggère que les observations futures pourraient tenter de déterminer le degré de variation entre les différents BAO, expliquant peut-être pourquoi celui-ci est légèrement erroné.
DESI en particulier est prêt à contribuer à peser sur ce dossier et pourrait être la clé pour trouver des structures supplémentaires comme Ho’oleilana. Monté sur le télescope Mayall de quatre mètres au sommet de Kitt Peak dans le désert à l’extérieur de Tucson, en Arizona, l’instrument dresse une carte tridimensionnelle détaillée de 40 millions de galaxies dans l’univers local et lointain. Cette tranche du cosmos étudiée devrait être suffisamment grande pour permettre à DESI de trouver et d’étudier les BAO en détail. Des informations supplémentaires provenant du satellite Euclid récemment lancé par l’Agence spatiale européenne, ainsi que des télescopes au sol tels que le Square Kilometer Array, aideront les cosmographes à produire des tracés encore meilleurs des galaxies et des amas galactiques, explique Pomarède. Face à un tel travail, il a souvent l’impression de faire partie d’une longue lignée d’humains cartographiant leur environnement afin de mieux comprendre leur place dans l’univers.
Tully est d’accord. “Au fur et à mesure que les détails sont précisés, nous voyons une complexité plus riche”, dit-il, “et nous apprécions de plus en plus l’endroit où nous appelons notre chez-soi.”
