Une équipe internationale d’astrophysiciens et de cosmologistes a soumis cinq articles suggérant que la « densité » (valeur S8) de la matière noire de l’univers est de 0,76, un chiffre qui s’aligne avec d’autres études de lentilles gravitationnelles mais pas avec la valeur de 0,83 dérivée du fond diffus cosmologique.
Une équipe internationale de scientifiques a utilisé des techniques avancées et l’Hyper Suprime-Cam pour étudier l' »agglutination » de la matière noire, et a trouvé une valeur S8 de 0,76, en contradiction avec la valeur de 0,83 dérivée du fond diffus cosmologique. Cette divergence pourrait indiquer des erreurs de mesure ou un modèle cosmologique standard incomplet.
Une équipe internationale d’astrophysiciens et de cosmologistes de divers instituts, dont l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers (Kavli IPMU), a soumis une série de cinq articles, mesurant une valeur pour la « densité » de la matière noire de l’univers, connue des cosmologistes sous le nom de S8, de 0.76, ce qui correspond aux valeurs trouvées par d’autres études par lentille gravitationnelle dans l’univers relativement récent, mais pas à la valeur de 0,83 dérivée du fond diffus cosmologique, qui remonte aux origines de l’univers, lorsque celui-ci était âgé d’environ 380 000 ans. Leurs résultats ont été téléchargés sous forme d’articles préimprimés sur arXiv.
L’écart entre ces deux valeurs est faible, mais comme de plus en plus d’études confirment chacune des deux valeurs, il ne semble pas être accidentel. Il est possible qu’il y ait une erreur non encore reconnue dans l’une de ces deux mesures ou que le modèle cosmologique standard soit incomplet d’une manière intéressante.
L’énergie noire et la matière noire constituent 95 % de l’univers que nous voyons aujourd’hui, mais nous ne savons pas grand-chose de leur nature et de leur évolution au cours de l’histoire de l’univers. Les amas de matière noire déforment la lumière des galaxies lointaines par un faible effet de lentille gravitationnelle, un phénomène prédit par la théorie générale de la relativité d’Einstein.
Figure 1 : Exemple d’une image obtenue avec HSC-SSP. Crédit : projet HSC-SSP & ; NAOJ
« Cette distorsion est très, très faible. La forme d’une seule galaxie est déformée de façon imperceptible. Mais en combinant les mesures de millions de galaxies, on peut mesurer la distorsion avec une très grande précision », a déclaré Masahiro Takada, professeur à l’IPMU de Kavli.
Le modèle standard n’est défini que par une poignée de chiffres : le taux d’expansion de l’univers, une mesure de l’agglutination de la matière noire (S8), les contributions relatives des constituants de l’univers (matière, matière noire et énergie noire), la densité globale de l’univers et une quantité technique décrivant la relation entre l’agglutination de l’univers à grande échelle et celle à petite échelle.
Les cosmologistes sont impatients de tester ce modèle en contraignant ces nombres de diverses manières, par exemple en observant les fluctuations du fond diffus cosmologique, en modélisant l’histoire de l’expansion de l’univers ou en mesurant la densité de l’univers dans un passé relativement récent.
Une équipe dirigée par des astronomes du Kavli IPMU, de l’université de Tokyo, de l’université de Nagoya, de l’université de Princeton et des communautés astronomiques du Japon et de Taïwan a passé l’année dernière à percer les secrets de cette matière très insaisissable, la matière noire, en utilisant des simulations informatiques sophistiquées et les données des trois premières années de l’étude Hyper Suprime-Cam. Les observations de cette étude ont utilisé l’une des caméras astronomiques les plus puissantes au monde, l’Hyper Suprime-Cam (HSC) montée sur le télescope Subaru au sommet du Maunakea à Hawaï.
Figure 2 : Résultats de la mesure du paramètre S8 à partir des données HSC-SSP de l’année 3. Le graphique montre les résultats de quatre méthodes différentes, qui utilisent différentes parties des données HSC-SSP de l’année 3 ou combinent les données HSC-SSP de l’année 3 avec d’autres données. À titre de comparaison, « Planck CMB » montre le résultat de la mesure de S8 à partir des données du fond diffus cosmologique du satellite Planck. La rubrique « Autres résultats de faible lentille » montre les résultats de mesures similaires de faible lentille basées sur les données du Dark Energy Survey (DES) et du Kilo-Degree Survey (KiDS). Crédit : Kavli IPMU
Sommaire
Cacher et découvrir les données
L’équipe a effectué une « analyse en aveugle ».
« Les scientifiques sont des êtres humains et ils ont des préférences. Certains aimeraient vraiment trouver quelque chose de fondamentalement nouveau, tandis que d’autres se sentent à l’aise s’ils trouvent des résultats qui semblent cohérents avec les résultats prévus. Les scientifiques sont devenus suffisamment conscients d’eux-mêmes pour savoir qu’ils se biaiseront eux-mêmes, quelle que soit leur prudence, s’ils ne mènent pas leur analyse sans se permettre de connaître les résultats jusqu’à la fin », a déclaré Hironao Miyatake, professeur associé à l’Institut Kobayashi-Maskawa de l’Université de Nagoya pour l’origine des particules et de l’univers (KMI).
Pour protéger les résultats de tels biais, l’équipe du HSC a caché ses résultats à elle-même et à ses collègues pendant des mois. L’équipe a même ajouté une couche d’obscurcissement supplémentaire : elle a effectué ses analyses sur trois catalogues galactiques différents, un vrai et deux faux, avec des valeurs numériques décalées par des valeurs aléatoires. L’équipe d’analyse ne savait pas lequel des trois était le vrai, de sorte que même si quelqu’un voyait accidentellement les valeurs, l’équipe ne saurait pas si les résultats étaient basés sur le vrai catalogue ou non.
L’équipe a consacré un an à l’analyse en aveugle. Le 3 décembre 2022, l’équipe s’est réunie sur Zoom – un samedi matin au Japon, un vendredi soir à Princeton – pour la « levée de l’aveugle ». L’équipe a dévoilé les données et exécuté ses tracés, et a immédiatement constaté que les résultats étaient excellents, selon Takada. « L’analyse à l’aveugle signifie que vous ne pouvez pas jeter un coup d’œil aux résultats pendant l’analyse, ce qui était extrêmement stressant, mais dès que j’ai vu le résultat final, toute cette anxiété s’est envolée par la fenêtre », a déclaré Sunao Sugiyama, étudiant diplômé de l’IPMU Kavli.
Figure 3 : Exemple de distribution 3D de la matière noire dérivée de HSC-SSP. Cette carte est obtenue en utilisant les données de la première année, mais la présente étude a examiné une zone du ciel environ trois fois plus grande. Crédit : Université de Tokyo/NAOJ
Une vaste étude avec la caméra du plus grand télescope du monde
Le HSC est la plus grande caméra au monde sur un télescope de cette taille. Le relevé utilisé par l’équipe de recherche couvre environ 420 degrés carrés du ciel, soit l’équivalent de 2000 pleines lunes. Il ne s’agit pas d’un seul morceau de ciel contigu, mais de six morceaux différents, chacun étant de la taille du poing tendu d’une personne. Les 25 millions de galaxies étudiées par les chercheurs sont si éloignées qu’au lieu de les voir telles qu’elles sont aujourd’hui, le CSH a enregistré ce qu’elles étaient il y a des milliards d’années.
Chacune de ces galaxies brille des feux de dizaines de milliards de soleils, mais comme elles sont très éloignées, elles sont extrêmement faibles, jusqu’à 25 millions de fois plus faibles que les étoiles les plus faibles que nous pouvons voir à l’œil nu.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir « Measuring Dark Matter With Hyper Suprime-Cam Reveals Discrepancy » (La mesure de la matière noire à l’aide d’une caméra Hyper Suprime révèle une anomalie).
Références :
« Résultats de l’année 3 de l’Hyper Suprime-Cam : Cosmology from Galaxy Clustering and Weak Lensing with HSC and SDSS using the Emulator Based Halo Model » par Hironao Miyatake, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Takahiro Nishimichi, Xiangchong Li, Masato Shirasaki, Surhud More, Yosuke Kobayashi, Atsushi J. Nishizawa, Markus M. Rau, Tianqing Zhang, Ryuichi Takahashi, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Ken Osato, Wentao Luo, Arun Kannawadi, Bau-Ching Hsieh, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Lauren A. MacArthur, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Tomomi Sunayama, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka et Shiang-Yu Wang, 3 avril 2023, Astrophysics > ; Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00704
« Résultats de l’année 3 de l’Hyper Suprime-Cam : Measurements of Clustering of SDSS-BOSS Galaxies, Galaxy-Galaxy Lensing and Cosmic Shear » par Surhud More, Sunao Sugiyama, Hironao Miyatake, Markus Michael Rau, Masato Shirasaki, Xiangchong Li, Atsushi J. Nishizawa, Ken Osato, Tianqing Zhang, Masahiro Takada, Takashi Hamana, Ryuichi Takahashi, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Yosuke Kobayashi, Takahiro Nishimichi, Masamune Oguri, Arun Kannawadi, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka et Shiang-Yu Wang, 3 avril 2023, Astrophysics > ; Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00703
« Hyper Suprime-Cam Year 3 Results : Cosmology from Galaxy Clustering and Weak Lensing with HSC and SDSS using the Minimal Bias Model » par Sunao Sugiyama, Hironao Miyatake, Surhud More, Xiangchong Li, Masato Shirasaki, Masahiro Takada, Yosuke Kobayashi, Ryuichi Takahashi, Takahiro Nishimichi, Atsushi J. Nishizawa, Markus M. Rau, Tianqing Zhang, Roohi Dalal, Rachel Mandelbaum, Michael A. Strauss, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Ken Osato, Arun Kannawadi, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka et Shiang-Yu Wang, 3 avril 2023, Astrophysics > ; Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00705
« Hyper Suprime-Cam Year 3 Results : Cosmology from Cosmic Shear Power Spectra » par Roohi Dalal, Xiangchong Li, Andrina Nicola, Joe Zuntz, Michael A. Strauss, Sunao Sugiyama, Tianqing Zhang, Markus M. Rau, Rachel Mandelbaum, Masahiro Takada, Surhud More, Hironao Miyatake, Arun Kannawadi, Masato Shirasaki, Takanori Taniguchi, Ryuichi Takahashi, Ken Osato, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Atsushi J. Nishizawa, Andrés A. Plazas Malagón, Tomomi Sunayama, David Alonso, Anže Slosar, Robert Armstrong, James Bosch, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Lauren A. MacArthur, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Takahiro Nishimichi, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka et Shiang-Yu Wang, 3 avril 2023, Astrophysics > ; Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00701
« Hyper Suprime-Cam Year 3 Results : Cosmology from Cosmic Shear Two-point Correlation Functions » par Xiangchong Li, Tianqing Zhang, Sunao Sugiyama, Roohi Dalal, Markus M. Rau, Rachel Mandelbaum, Masahiro Takada, Surhud More, Michael A. Strauss, Hironao Miyatake, Masato Shirasaki, Takashi Hamana, Masamune Oguri, Wentao Luo, Atsushi J. Nishizawa, Ryuichi Takahashi, Andrina Nicola, Ken Osato, Arun Kannawadi, Tomomi Sunayama, Robert Armstrong, Yutaka Komiyama, Robert H. Lupton, Nate B. Lust, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Takahiro Nishimichi, Yuki Okura, Paul A. Price, Philip J. Tait, Masayuki Tanaka, Shiang-Yu Wang, 3 avril 2023, Astrophysics > ; Cosmology and Nongalactic Astrophysics.
arXiv:2304.00702