L'écho né de l'énergie noire ✛
380 000 ans après le Big Bang, l'Univers s'était suffisamment refroidi pour que la lumière se découple du plasma. Ce Fond diffus cosmologique baigne encore le cosmos — comme le premier accord d'une symphonie, écho d'un commencement torride. Des siècles plus tard, Georges Lemaître et Edwin Hubble remarquèrent que les galaxies s'éloignent les unes des autres ; la découverte de l'expansion de l'univers a mené au choc de la fin des années 1990, lorsque Saul Perlmutter, en observant des supernovas, prouva que l'expansion accélère. La coupable est l'énergie noire, une substance mystérieuse qui constitue près de 70 % de tout ce qui existe. Mais sa nature nous échappe toujours. La plupart des tests mesurent la géométrie du monde ; bien plus tranchant est un test dynamique, qui montre comment l'énergie noire freine la naissance des galaxies et des amas. C'est exactement ce test qui a été réalisé grâce à un effet découvert il y a un demi-siècle : l'effet Sachs-Wolfe intégré.
Lorsque les photons du fond diffus traversent les puits gravitationnels changeants de la structure à grande échelle, leur énergie est légèrement décalée. C'est comme si le dernier accord, en se réfléchissant sur les murs d'une cathédrale, changeait de tonalité selon la manière dont ces murs sont construits. L'intégrale du décalage sur tout le trajet constitue justement l'écho de l'énergie noire. Le saisir, cependant, est terriblement difficile : les fluctuations primordiales du fond diffus cosmologique sont des centaines de fois plus fortes. Dans un nouveau travail, on a combiné deux cartes célestes. La première est la carte micro-onde du satellite Planck. La seconde est le fond infrarouge, reconstitué à partir de 600 millions de galaxies observées par le télescope WISE. Il sert de carte de distribution de la matière jusqu'à un décalage vers le rouge z≈2,5. L'outil statistique — la méthode des k plus proches voisins (kNN) — n'analyse pas simplement des paires de pixels, mais la distribution des distances entre points les plus proches, extrayant l'écho du bruit comme une oreille exercée qui distingue un écho dans une polyphonie.
Le résultat récompense des décennies d'attente. L'amplitude du signal croisé correspond aux prédictions du modèle standard ΛCDM avec une significativité de 4,8σ — soit 20 % de mieux qu'avec l'analyse à deux points classique. Il ne s'agit pas d'un simple ajustement de paramètres : la méthode montre pour la première fois comment l'énergie noire influence la croissance des structures en temps réel. Des simulations numériques à grande échelle, comme Millennium-XXL, avec un habillage de luminosité infrarouge des halos, ont confirmé que le signal est robuste et que sa nature est bien l'écho gravitationnel de la toile cosmique.
Maintenant que le test dynamique fonctionne, la voie s'ouvre à la tomographie : en découpant l'Univers en tranches temporelles, on pourra retracer l'histoire de l'accélération. Le nouveau relevé SPHEREx, dont le lancement est prévu pour le milieu des années 2020, fournira des cartes infrarouges multicolores de l'ensemble du ciel. Grâce à elles, le fond infrarouge sera séparé en dizaines d'époques, et nous verrons non plus un seul écho, mais tout un oratorio. Peut-être que le paramètre w — l'équation d'état de l'énergie noire — ne sera pas constant, et alors le modèle standard ΛCDM vacillera. Pour l'instant, l'écho résonne à l'unisson avec la constante cosmologique d'Einstein. L'ouïe s'affine.
Pour construire la carte du fond infrarouge, on a utilisé le célèbre gabarit de poussière galactique SFD : de la carte complète, on a soustrait la contribution de notre Galaxie, redécouvrant ainsi la lueur extragalactique.
L'idée d'un « écho de la création » portant en lui l'enregistrement du destin de l'Univers fait écho au roman d'Isaac Asimov « La Fin de l'Éternité », où les techniciens de l'Éternité surveillaient les conséquences lointaines des changements de la réalité. Ici, c'est à partir de la lumière lointaine que l'on reconstruit l'histoire de l'expansion — et que l'on prédit peut-être la fin.