Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Les quasars, des phares ultra-brillants pour sonder l’univers à une époque inexplorée

Plus un objet se trouve loin de nous, plus il s’est formé tôt dans l’histoire de l’univers. Pour étendre les mesures faites jusqu’à présent grâce aux galaxies et être capable de sonder l’univers tel qu’il était il y a plus de 6 milliards d’années, il faut pouvoir observer des astres très brillants et très lointains. « Parce que les quasars sont si brillants, on peut les observer loin dans l’univers », précise Ashley Ross de l’Université de l’Etat d’Ohio, co-responsable de l’analyse « Ils sont donc les candidats idéaux pour réaliser la carte la plus aboutie à ce jour des grandes structures de l’univers ».

L’incroyable luminosité des quasars est due à l’interaction entre les disques d’accrétion et les trous noirs super-massifs. Leurs processus de formation et les interactions avec la matière environnante font partie des phénomènes les plus violents de l’univers et sont encore méconnus. Le fait qu’ils se soient formés tôt dans l’histoire de l’univers permet de sonder une époque pratiquement inexplorée. « Ces quasars sont tellement lointains que leur lumière que nous captons avec nos télescopes a été émise lorsque l'univers avait entre trois et sept milliards d’années, ces quasars se sont donc formés bien avant que la Terre existe. » rajoute Gongbo Zhao de l’Observatoire Astronomique National de l’Académie des Sciences de Chine, l’autre- co-responsable de l’analyse.

Le télescope multi-spectrographe SDSS-eBOSS

Pour réaliser leur carte, les chercheurs ont utilisé le télescope SDSS de 2,5 mètres de diamètre, situé à l’Observatoire d’Apache Point au Nouveau Mexique, Etats-Unis.

Le télescope, relié au multi-spectrographe eBOSS, a observé depuis trois ans un nombre sans précédent de quasars. Il a permis aux astronomes de mesurer précisément la position de plus de 147 000 quasars. A partir de leur position en trois dimensions, les chercheurs reconstruisent la carte de la distribution spatiale des quasars. Les groupes français ont eu un rôle majeur dans cette mesure.

Dans un premier temps, les physiciens de l’Irfu (CEA) ont utilisé un relevé photométrique de la zone étudiée obtenu avec la caméra de SDSS. Une analyse de ce relevé a permis de définir quels étaient les « candidats quasars » que le spectrographe devait analyser et d’obtenir leurs coordonnées. Plus de 300 plaques en aluminium ont alors été percées afin de correspondre parfaitement aux coordonnées des candidats présélectionnés. Ces plaques sont placées au plan focal du télescope pour ne récupérer que la lumière émise par ces sources grâce à des fibres optiques. Des astronomes de l’IAP et du LAM du CNRS ont vérifié et identifié les quasars dans les spectres obtenus par des spectrographes reliés aux fibres. Enfin, les équipes de l’Irfu (CEA) et du LPNHE (CNRS) se sont fortement impliquées dans l’analyse des données pour mesurer les distances entre les quasars étudiés.

Une règle standard pour mesurer les distances dans l’Univers

Les cartes de l'univers, comme celles obtenues avec le relevé eBOSS, montrent que les structures sont distribuées à grande échelle, sous forme d’une toile cosmique gigantesque, constituée de vides, de filaments et de nœuds au croisement de ces derniers. Cette toile décrit comment la matière de l’univers se structure. Ces structures se sont formées à partir de minuscules fluctuations de la densité dans l'Univers primordial.

Des ondes de pression (acoustiques) se propageaient dans l'Univers primordial lorsque celui-ci était plus chaud et dense que l’univers que nous observons aujourd’hui.

Ces ondes sonores qui se sont propagées pendant les 400 000 premières années de l’univers, et se sont figées au moment où la matière ordinaire et la lumière ont cessé d’interagir dans le plasma primordial. L’arrêt de ces oscillations a laissé une empreinte sous forme d’une distance caractéristique dans la distribution actuelle de la matière, appelée « pic BAO » (pour Baryonic Acoustic Oscillations) et qui est utilisée pour mesurer les distances dans l’univers et retracer l’histoire de son expansion.

Pour caractériser la distribution spatiale des quasars, on peut mesurer le nombre de fois où deux d’entre eux sont séparés par une distance donnée.

Sur un graphique du nombre de paires de quasars en fonction de leur distance relative, cette échelle de distance caractéristique de 500 millions d'années-lumière apparaît comme un pic, c'est pourquoi les astronomes parlent souvent de « pic BAO ».

La position de ce pic est alors utilisée comme un étalon de distance pour mesurer l’expansion de l’univers. « Il y a le mètre pour des petits échelles de distances, le kilomètre ou le mile pour les distances entre les villes, et nous avons l’échelle BAO pour des distances entre galaxies et quasars en cosmologie. » explique Pauline Zarrouk, une doctorante de l’Irfu/CEA, Université Paris-Saclay qui a mesuré l’échelle BAO pour les quasars de eBOSS

Comprendre l’histoire de l’expansion de l’Univers

Les astronomes du SDSS avaient déjà auparavant utilisé la technique du BAO avec des galaxies plus proches et avec le gaz du milieu intergalactique pour mesurer l’évolution des distances dans l’univers toujours plus lointain. A partir de cette nouvelle carte, les chercheurs ont mesuré pour la 1ère fois les distances dans l’Univers tel qu’il était il y a plus de 6 milliards d’années. A cette époque, l’Univers commençait seulement à voir son expansion s’accélérer.

« Nos mesures couvrent maintenant une large gamme de distances cosmologiques et pointent vers la même conclusion : le modèle simple explique très bien les observations », conclut Hector Gil-Marin, un chercheur du LPNHE à Paris qui a conduit cette analyse. « Nos résultats sont en accord avec la théorie de la relativité générale d’Einstein ».

Toutefois, le modèle standard de la cosmologie suppose l’existence d’une composante inconnue, que l’on appelle « énergie noire » et dont l’étrange propriété serait d’accélérer l’expansion de l’univers. « Nous aimerions comprendre la nature de l’énergie noire. Des relevés comme eBOSS nous renseignent sur l’histoire de l’expansion de l’univers et donc sur le rôle de cette composante exotique» précise Will Percival, le responsable scientifique de eBOSS.

L’expérience eBOSS continue de prendre des données à l’observatoire Apache Point. La carte de la distribution de la matière va donc continuer de se dessiner et les analyses en cours se focalisent sur le taux de croissance des structures car il fournit un des tests les plus précis de la relativité générale.

Des données pour contraindre l'énergie noire

Les données avec les galaxies de BOSS et les quasars de eBOSS apportent une contrainte sur l’énergie noire (figure ci-contre). Sur ce graphe Ω_Λ représente la contribution de l’énergie noire à l’énergie de l’Univers et Ω_m la contribution de la matière dans le cadre du modèle dit Λ-CDM où la géométrie de l’univers n’est pas fixée. Les contours rouges de la figure (qui délimitent la zone autorisée par la mesure de SDSS) montrent qu’un univers qui ne contiendrait pas énergie noire est exclu avec un niveau de confiance supérieur à 95%.

De plus, en utilisant toutes les données de SDSS et notamment les forets Ly-α la présence d’énergie noire est établie de manière non ambiguë (contours bleus) sans même utiliser les données de Planck et des Supernovae. Des mesures sans cesse plus précises aideront à percer un jour le mystère de la nature de l’énergie noire.

Mesurer l’énergie noire au pourcent

Au moment où eBOSS continue de prendre ses données, les équipes françaises et internationales sont d’ores et déjà fortement impliquées dans la préparation et la construction de la prochaine génération de grands relevés spectroscopiques : DESI (pour Dark Energy Spectroscopic Instrument), le satellite Euclid de l’Agence Spatiale Européenne ainsi que LSST (Large Synoptic Survey Telescope). Le défi majeur de ces futures expériences sera de mesurer les paramètres cosmologiques de l’univers avec une précision de l’ordre du pour cent et de marquer ainsi le début de l’ère de la cosmologie de précision.

DESI analysera la lumière émise par 35 millions de galaxies et quasars permettant de remonter à l’histoire de l’Univers d’aujourd’hui jusqu’à 11 milliards d’années dans le passé. Sa phase de construction a démarré en 2016 et La campagne d’observations débutera en 2019 pour 5 ans.

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