Dans une étude pionnière, des scientifiques ont utilisé des quasars comme horloges cosmiques pour observer l’univers primitif se dérouler au ralenti, validant ainsi la théorie de la relativité générale d’Einstein. En examinant les données de près de 200 quasars, des trous noirs supermassifs hyperactifs situés au centre des premières galaxies, l’équipe a constaté que le temps semblait s’écouler cinq fois plus lentement lorsque l’univers avait à peine plus d’un milliard d’années.
Les données d’observation de près de 200 quasars montrent qu’Einstein a raison – une fois de plus – au sujet de la dilatation du temps dans le cosmos.
Pour la première fois, des scientifiques ont observé l’univers primitif se dérouler au ralenti, levant ainsi le voile sur l’un des mystères de l’univers en expansion d’Einstein.
La théorie générale de la relativité d’Einstein signifie que nous devrions observer l’univers lointain – et donc ancien – fonctionner beaucoup plus lentement qu’aujourd’hui. Cependant, il est difficile de remonter aussi loin dans le temps. Les scientifiques ont désormais percé ce mystère en utilisant des quasars comme « horloges ».
« Si l’on remonte à une époque où l’univers avait à peine plus d’un milliard d’années, le temps semble s’écouler cinq fois plus lentement », a déclaré l’auteur principal de l’étude, le professeur Geraint Lewis, de l’École de physique et de l’Institut d’astronomie de Sydney, à l’Université de Sydney.
« Si vous étiez là, dans cet univers naissant, une seconde vous semblerait une seconde – mais de notre position, plus de 12 milliards d’années dans le futur, ce temps précoce semble s’éterniser.
La recherche a été publiée le 3 juillet dans Nature Astronomy.
Professeur Geraint Lewis à l’Institut d’astronomie de Sydney de l’École de physique de l’Université de Sydney. Crédit : Université de Sydney
Le professeur Lewis et son collaborateur, le Dr Brendon Brewer de l’université d’Auckland, ont utilisé les données d’observation de près de 200 quasars – des trous noirs supermassifs hyperactifs situés au centre des premières galaxies – pour analyser cette dilatation temporelle.
« Grâce à Einstein, nous savons que le temps et l’espace sont intimement liés et que, depuis l’aube des temps, lors de la singularité du Big Bang, l’univers est en expansion », a déclaré le professeur Lewis.
« Cette expansion de l’espace signifie que nos observations de l’univers primitif devraient sembler beaucoup plus lentes que le temps qui s’écoule aujourd’hui.
« Dans cet article, nous avons établi que le temps s’écoule jusqu’à environ un milliard d’années après le Big Bang. »
Auparavant, les astronomes ont confirmé que cet univers au ralenti remontait à environ la moitié de l’âge de l’univers en utilisant des supernovae – des étoiles massives qui explosent – comme « horloges standard ». Mais si les supernovae sont extrêmement brillantes, elles sont difficiles à observer aux distances immenses nécessaires pour scruter l’univers primitif.
L’observation des quasars a permis de ramener cet horizon temporel à un dixième de l’âge de l’univers, confirmant ainsi que l’univers semble s’accélérer au fur et à mesure qu’il vieillit.
Le professeur Lewis a déclaré : « Alors que les supernovae agissent comme un simple éclair de lumière, ce qui les rend plus faciles à étudier, les quasars sont plus complexes, comme un feu d’artifice permanent.
« Ce que nous avons fait, c’est démêler ce feu d’artifice, en montrant que les quasars peuvent eux aussi être utilisés comme des marqueurs temporels standard pour l’univers primitif ».
Le professeur Lewis a travaillé avec le Dr Brewer, astro-statisticien, pour examiner les détails de 190 quasars observés au cours de deux décennies. En combinant les observations effectuées à différentes couleurs (ou longueurs d’onde) – lumière verte, lumière rouge et infrarouge – ils ont pu normaliser le « tic-tac » de chaque quasar. Grâce à l’application de l’analyse bayésienne, ils ont découvert que l’expansion de l’univers était imprimée sur le tic-tac de chaque quasar.
« Grâce à ces données exceptionnelles, nous avons pu suivre le tic-tac des horloges des quasars, révélant ainsi l’influence de l’expansion de l’espace », a déclaré le professeur Lewis.
Ces résultats confirment l’image d’Einstein d’un univers en expansion, mais contrastent avec des études antérieures qui n’avaient pas réussi à identifier la dilatation temporelle des quasars lointains.
« Ces études antérieures ont conduit les gens à se demander si les quasars sont vraiment des objets cosmologiques, ou même si l’idée d’un espace en expansion est correcte », a déclaré le professeur Lewis.
« Avec ces nouvelles données et analyses, nous avons pu trouver l’insaisissable tic-tac des quasars et ils se comportent exactement comme le prévoit la relativité d’Einstein », a-t-il ajouté.
Référence : « Detection of the cosmological time dilation of high-redshift quasars » par Geraint F. Lewis et Brendon J. Brewer, 3 juillet 2023, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-023-02029-2