Les cosmologistes ont trouvé un moyen de doubler la précision de la mesure des distances jusqu’aux explosions de supernova – l’un de leurs outils éprouvés pour étudier la mystérieuse énergie sombre qui accélère de plus en plus l’expansion de l’univers. Les résultats de la collaboration à proximité de l’usine Supernova (SNfactory), dirigée par Greg Aldering du Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Berkeley Lab), permettront aux scientifiques d’étudier l’énergie noire avec une précision et une précision grandement améliorées, et fourniront un puissant contre-contrôle de la technique sur de vastes distances et dans le temps. Les résultats seront également au cœur des grandes expériences de cosmologie à venir qui utiliseront de nouveaux télescopes terrestres et spatiaux pour tester des explications alternatives de l’énergie sombre.
Deux articles publiés dans Le journal astrophysique rapportent ces résultats, avec Kyle Boone comme auteur principal. Actuellement stagiaire postdoctoral à l’Université de Washington, Boone est un ancien étudiant diplômé du lauréat du prix Nobel Saul Perlmutter, scientifique principal du Berkeley Lab et professeur à l’UC Berkeley qui a dirigé l’une des équipes qui ont découvert l’énergie noire à l’origine. Perlmutter était également co-auteur des deux études.
Les supernovae ont été utilisées en 1998 pour faire la découverte surprenante que l’expansion de l’univers s’accélère, plutôt que de ralentir comme prévu. Cette accélération – attribuée à l’énergie sombre qui constitue les deux tiers de toute l’énergie de l’univers – a depuis été confirmée par une variété de techniques indépendantes ainsi que par des études plus détaillées des supernovae.
La découverte de l’énergie noire reposait sur l’utilisation d’une classe particulière de supernovae, le type Ia. Ces supernovae explosent toujours avec presque la même luminosité maximale intrinsèque. Parce que la luminosité maximale observée de la supernova est utilisée pour déduire sa distance, les petites variations restantes de la luminosité maximale intrinsèque ont limité la précision avec laquelle l’énergie sombre pouvait être testée. Malgré 20 ans d’améliorations de la part de nombreux groupes, les études sur les supernovae de l’énergie noire sont jusqu’à présent restées limitées par ces variations.
Quadrupler le nombre de supernovae
Les nouveaux résultats annoncés par la SNfactory proviennent d’une étude pluriannuelle entièrement consacrée à l’augmentation de la précision des mesures cosmologiques réalisées avec des supernovae. La mesure de l’énergie sombre nécessite des comparaisons des luminosités maximales de supernovae distantes à des milliards d’années-lumière avec celles des supernovae voisines «à seulement» 300 millions d’années-lumière. L’équipe a étudié des centaines de ces supernovae à proximité avec des détails exquis. Chaque supernova a été mesurée un certain nombre de fois, à des intervalles de quelques jours. Chaque mesure a examiné le spectre de la supernova, enregistrant son intensité sur toute la gamme de longueurs d’onde de la lumière visible. Un instrument sur mesure pour cette enquête, le spectromètre de champ intégral SuperNova, installé au télescope de 2,2 mètres de l’Université d’Hawaï à Maunakea, a été utilisé pour mesurer les spectres.
«Nous avons depuis longtemps cette idée que si la physique de l’explosion de deux supernovae était la même, leur luminosité maximale serait la même. En utilisant les spectres de l’usine de supernova à proximité comme une sorte de scan CAT à travers l’explosion de supernova, nous pourrions tester cette idée », a déclaré Perlmutter.
En effet, il y a plusieurs années, la physicienne Hannah Fakhouri, alors étudiante diplômée travaillant avec Perlmutter, a fait une découverte clé des résultats d’aujourd’hui. En examinant une multitude de spectres pris par la SNfactory, elle a constaté que dans un certain nombre de cas, les spectres de deux supernovae différentes semblaient presque identiques. Parmi la cinquantaine de supernovae, certaines étaient des jumeaux pratiquement identiques. Lorsque les spectres ondulés d’une paire de jumeaux étaient superposés, à l’œil il n’y avait qu’une seule piste. L’analyse actuelle s’appuie sur cette observation pour modéliser le comportement des supernovae dans la période proche du moment de leur luminosité maximale.
Le nouveau travail multiplie par quatre le nombre de supernovae utilisé dans l’analyse. Cela a rendu l’échantillon suffisamment grand pour appliquer des techniques d’apprentissage automatique pour identifier ces jumeaux, ce qui a conduit à la découverte que les spectres de supernova de type Ia ne varient que de trois manières. Les luminosités intrinsèques des supernovae dépendent également principalement de ces trois différences observées, permettant de mesurer les distances des supernovae avec une précision remarquable d’environ 3%.
Tout aussi important, cette nouvelle méthode ne souffre pas des biais qui ont assailli les méthodes précédentes, observées lors de la comparaison de supernovae trouvées dans différents types de galaxies. Étant donné que les galaxies proches sont quelque peu différentes des galaxies éloignées, on craignait sérieusement qu’une telle dépendance produise de fausses lectures dans la mesure de l’énergie sombre. Maintenant, ce problème peut être considérablement réduit en mesurant des supernovae distantes avec cette nouvelle technique.
En décrivant ce travail, Boone a noté: “La mesure conventionnelle des distances de supernova utilise des courbes de lumière – des images prises en plusieurs couleurs lorsqu’une supernova s’éclaircit et s’estompe. Au lieu de cela, nous avons utilisé un spectre de chaque supernova. Celles-ci sont tellement plus détaillées et avec techniques d’apprentissage automatique, il est alors devenu possible de discerner le comportement complexe qui était essentiel pour mesurer des distances plus précises. “
Les résultats des articles de Boone bénéficieront à deux expériences majeures à venir. La première expérience aura lieu à l’observatoire Rubin de 8,4 mètres, en construction au Chili, avec son Legacy Survey of Space and Time, un projet conjoint du Département de l’énergie et de la National Science Foundation. Le second est le futur télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA. Ces télescopes mesureront des milliers de supernovae pour améliorer encore la mesure de l’énergie noire. Ils pourront comparer leurs résultats avec des mesures réalisées à l’aide de techniques complémentaires.
Aldering, également co-auteur des articles, a observé que “non seulement cette technique de mesure de distance est plus précise, mais elle ne nécessite qu’un seul spectre, pris lorsqu’une supernova est la plus brillante et donc la plus facile à observer – un changement de jeu!” Disposer d’une variété de techniques est particulièrement utile dans ce domaine où les idées préconçues se sont révélées fausses et où le besoin d’une vérification indépendante est élevé.
La collaboration SNfactory comprend Berkeley Lab, le Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies de l’Université de la Sorbonne, le Centre de recherche astronomique de Lyon, l’Institut de physique des 2 Infinités de l’Université Claude Bernard, l’Université de Yale, l’Université Humboldt en Allemagne, le Max Institut Planck d’Astrophysique, Université Tsinghua de Chine, Centre de Physique des Particules de Marseille et Université Clermont Auvergne.
Ces travaux ont été soutenus par le Bureau des Sciences de l’Énergie, la Division Astrophysique de la NASA, la Fondation Gordon et Betty Moore, l’Institut National de Physique Nucléaire et des Particules et l’Institut National des Sciences de la Terre et d’Astronomie du Centre National de la Recherche Scientifique. , la Fondation allemande pour la recherche et le Centre aérospatial allemand, le Conseil européen de la recherche, l’Université Tsinghua et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.
Contexte supplémentaire
En 1998, deux groupes concurrents étudiant les supernovae, le Supernova Cosmology Project et l’équipe High-z Supernova Search, ont tous deux annoncé avoir trouvé des preuves que, contrairement aux attentes, l’expansion de l’univers ne ralentissait pas mais devenait de plus en plus rapide. L’énergie sombre est le terme utilisé pour décrire la cause de l’accélération. Le prix Nobel 2011 a été décerné aux dirigeants des deux équipes: Saul Perlmutter de Berkeley Lab et UC Berkeley, chef du Supernova Cosmology Project, et à Brian Schmidt de l’Australian National University et Adam Riess de l’Université Johns Hopkins, du Haut- équipe z.
Des techniques supplémentaires pour mesurer l’énergie sombre incluent l’instrument spectroscopique à énergie sombre soutenu par le DOE, dirigé par Berkeley Lab, qui utilisera la spectroscopie sur 30 millions de galaxies dans une technique appelée oscillation acoustique baryonique. L’observatoire Rubin utilisera également un autre objectif appelé lentille gravitationnelle faible.
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