DESI mesure l’expansion de l’Univers à l’époque où la matière régnait en maître.

Des chercheurs du CEA-Irfu, au sein de la collaboration internationale DESI, ont réalisé la première mesure directe de l’évolution du taux d’expansion de l’Univers dans le régime où sa dynamique est dominée par la matière. Cette avancée, rendue possible par la puissance statistique sans précédent des données du relevé DESI, constitue une vérification fondamentale des prédictions des équations de Friedmann issues de la relativité générale. Ce modèle cosmologique proposé par Einstein et de Sitter en 1932 décrit un Univers rempli uniquement de matière (pas d’énergie noire, pas de constante cosmologique), et dont l’expansion ralentit au fil du temps sous l’effet de la gravité.

Mesure du taux d’expansion de l’univers ou taux de Hubble H(z), en fonction du redshift. Les trois points rouges représentent les mesures DESI du Lyman-alpha issus de ce travail et les points bleus sont les mesures de DESI DR2. La courbe tiretée noire montre le modèle de Einstein-de Sitter et la courbe grise montre le modèle cosmologique de concordance LCDM au meilleur ajustement des données de DESI.

Les équipes du CEA-Irfu jouent un rôle clé dans l’exploitation des données du relevé cosmologique DESI. Dans une étude menée par Hiram Herrera, postdoctorant au CEA-Irfu et à l’IAP, elles ont développé une nouvelle analyse des oscillations acoustiques baryoniques (BAO) : l’empreinte fossile d’ondes de pression du plasma primordial, qui sert de « mètre étalon » pour mesurer les distances dans l’Univers. Les chercheurs l’ont mesurée via la forêt Lyman-α — les raies d’absorption laissées par les nuages d’hydrogène traversés par la lumière de quasars lointains.

Grâce à la puissance statistique des données du deuxième catalogue de DESI (DR2), l’expansion cosmique peut désormais être mesurée en trois tranches de redshift entre z = 2,1 et 2,8, alors que les analyses précédentes ne donnaient qu’une valeur moyenne sur cet intervalle.

Les quasars (illustration haut gauche) émettent une lumière intense qui est partiellement absorbée lorsqu’elle traverse le milieu intergalactique jusqu’à l’observateur. Cela créé une « forêt » de raies d’absorption dans les spectres optiques de ces objets. Ces raies sont un traceur de la matière pouvant remonter au début de l’histoire de l’Univers.

À ces époques reculées, l’Univers n’avait que quelques milliards d’années : la matière dominait son contenu énergétique et l’énergie sombre était négligeable. Dans ce régime, les équations de la relativité générale conduisent à une loi simple reliant le taux d’expansion H au redshift z, appelée régime d’Einstein-de Sitter. Le vérifier directement constitue un test fondamental de nos lois de la gravitation à l’échelle de l’Univers.

Les résultats sont à la hauteur. L’analyse mesure :

H(z) ∝ (1+z)ⁿ avec n = 1,34 ± 0,16,

en accord avec la prédiction théorique de n = 3/2 sans les incertitudes expérimentales

Cette étude illustre aussi le potentiel des très grands relevés spectroscopiques pour tester les fondements de la cosmologie observationnelle. Elle n’a été rendue possible que par la qualité des observations de DESI, qui a déjà mesuré les spectres de plus de 40 millions de galaxies et de quasars.

Les équipes de la collaboration analysent actuellement les données du relevé complet (DR3), qui devraient améliorer sensiblement la précision de cette mesure et renforcer encore les tests des modèles cosmologiques et de la gravitation à l’échelle de l’Univers.

Contact : Eric Armengaud

article: Probing the matter-dominated expansion with multi-redshift Lyman-α BAO from DESI DR2