En utilisant des télescopes spatiaux de pointe et des ensembles de données, les chercheurs ont conclu que l’énergie noire, qui représente environ 76 % de la densité énergétique de l’univers, est uniformément répartie dans l’espace et reste constante dans le temps.
Une première étude de l’énergie noire à l’aide d’eROSITA suggère qu’elle est uniformément dispersée à la fois dans l’espace et dans le temps.
L’observation de galaxies lointaines par Edwin Hubble dans les années 1920 a conduit à la conclusion révolutionnaire que notre univers est en expansion. Ce n’est qu’en 1998, cependant, que des scientifiques étudiant les supernovae de type Ia ont fait une révélation étonnante. Ils ont découvert que l’univers n’était pas seulement en expansion, mais que cette expansion s’accélérait.
« Pour expliquer cette accélération, nous avons besoin d’une source », explique Joe Mohr, astrophysicien à la LMU. Nous appelons cette source l' »énergie noire », qui fournit une sorte d' »anti-gravité » pour accélérer l’expansion cosmique.
D’un point de vue scientifique, l’existence de l’énergie noire et de l’accélération cosmique est une surprise, et cela indique que notre compréhension actuelle de la physique est soit incomplète, soit incorrecte. L’importance de l’accélération de l’expansion a été soulignée en 2011 lorsque ses découvreurs ont reçu le prix Nobel de physique.
« Entre-temps, la nature de l’énergie noire est devenue le prochain problème récompensé par le prix Nobel », déclare M. Mohr.
I-Non Chiu, de l’université nationale Cheng Kung de Taïwan, en collaboration avec les astrophysiciens Matthias Klein, Sebastian Bocquet et Joe Mohr de l’université LMU, a publié la première étude de l’énergie noire réalisée à l’aide du télescope à rayons X eROSITA, qui se concentre sur les amas de galaxies.
L’anti-gravité éventuellement causée par l’énergie noire éloigne les objets les uns des autres et supprime la formation de grands objets cosmiques qui se formeraient autrement sous l’effet de la force d’attraction de la gravité. Ainsi, l’énergie noire affecte le lieu et la manière dont se forment les plus grands objets de l’univers, à savoir les amas de galaxies dont la masse totale est comprise entre 1013 et 1015 masses solaires.
« Nous pouvons en apprendre beaucoup sur la nature de l’énergie noire en comptant le nombre d’amas de galaxies formés dans l’univers en fonction du temps ou, dans le monde de l’observation, en fonction du décalage vers le rouge », explique M. Klein.
Cependant, les amas de galaxies sont extrêmement rares et difficiles à trouver, ce qui nécessite des relevés d’une grande partie du ciel à l’aide des télescopes les plus sensibles au monde. À cette fin, le télescope spatial à rayons X eROSITA – un projet dirigé par l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE) à Munich – a été lancé en 2019 pour effectuer un relevé de tout le ciel à la recherche d’amas de galaxies.
Dans le cadre de l’étude eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS), une mini-étude destinée à vérifier les performances de l’étude globale ultérieure, environ 500 amas de galaxies ont été découverts. Cela représente l’un des plus grands échantillons d’amas de galaxies de faible masse à ce jour et couvre les 10 derniers milliards d’années de l’évolution cosmique.
Pour leur étude, Chiu et ses collègues ont utilisé un ensemble de données supplémentaires en plus des données eFEDS – les données optiques du programme stratégique Hyper Suprime-Cam Subaru, qui est dirigé par les communautés astronomiques du Japon et de Taïwan, et par l’université de Princeton.
L’ancien chercheur doctorant du LMU, I-Non Chiu, et ses collègues du LMU ont utilisé ces données pour caractériser les amas de galaxies dans eFEDS et mesurer leurs masses en utilisant le processus de lentille gravitationnelle faible. La combinaison des deux ensembles de données a permis la première étude cosmologique utilisant les amas de galaxies détectés par eROSITA.
Leurs résultats montrent que, par comparaison entre les données et les prédictions théoriques, l’énergie noire représente environ 76 % de la densité d’énergie totale de l’univers. En outre, les calculs indiquent que la densité énergétique de l’énergie noire semble être uniforme dans l’espace et constante dans le temps.
« Nos résultats concordent également avec d’autres approches indépendantes, telles que les études antérieures sur les amas de galaxies, ainsi que celles utilisant l’effet de lentille gravitationnelle faible et le fond diffus cosmologique », explique M. Bocquet. Jusqu’à présent, tous les éléments d’observation, y compris les derniers résultats d’eFEDS, suggèrent que l’énergie noire peut être décrite par une simple constante, généralement appelée « constante cosmologique ».
« Bien que les erreurs actuelles sur les contraintes de l’énergie noire soient encore plus importantes que ce que nous souhaiterions, cette recherche utilise un échantillon d’eFEDS qui, après tout, occupe une surface inférieure à 1 % du ciel complet », déclare Mohr. Cette première analyse a donc jeté des bases solides pour les études futures de l’échantillon eROSITA sur l’ensemble du ciel ainsi que d’autres échantillons d’amas.
Référence : « Cosmological constraints from galaxy clusters and groups in the eROSITA final equatorial depth survey » par I-Non Chiu, Matthias Klein, Joseph Mohr et Sebastian Bocquet, 21 avril 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stad957