CHIME : le signal de l’hydrogène pour savoir comment finira l’Univers

Le télescope CHIME a réalisé sa première détection autonome de la lueur de l’hydrogène, émise quand l’Univers avait environ cinq milliards d’années. Cette détection ouvre de nouvelles études sur l’expansion cosmique et l’énergie noire. Elle ne dit pas encore comment tout cela finira, mais elle trace le chemin le moins coûteux pour le savoir.

Le destin du cosmos dépend de la nature de l’énergie noire.

Mourir de froid ou de chaud : la question posée à l’énergie noire

L’Univers est-il condamné à mourir de froid à cause de l’expansion de l’espace, ou à mourir de chaud en revenant à l’état du Big Bang ? Pour trancher, il faut déterminer la nature de l’énergie noire, qui accélère l’expansion du cosmos. On estime qu’elle représente de l’ordre de 70 % de la densité d’énergie de l’Univers. Les théories sur sa nature s’opposent dans la communauté astrophysique.

L’hydrogène sert de traceur. Le télescope étudie sa répartition dans l’Univers et son évolution dans le temps, grâce à la raie à 21 cm, déjà employée jadis pour cartographier la Voie lactée.

Dans l’Univers primordial, des ondes acoustiques ont traversé le plasma pendant 379 000 ans, jusqu’à ce qu’il refroidisse et devienne un gaz neutre, surtout de l’hydrogène. Ces ondes ont laissé une empreinte, les oscillations acoustiques de baryons, qui sert de règle étalon. En observant cette règle à différents décalages vers le rouge, les chercheurs veulent reconstituer l’histoire de l’expansion et cerner l’influence de l’énergie noire.

Un signal enfoui sous le bruit

Le télescope a mesuré le spectre de puissance de l’hydrogène à un décalage vers le rouge moyen de 1,16, avec un rapport signal sur bruit de 12,4, à partir de 94 nuits de données de 2019. Ces fréquences correspondent à de l’hydrogène observé entre les décalages 1,34 et 1,01. Il s’agit donc d’un Univers bien plus jeune que celui qui entoure la Terre aujourd’hui. Le résultat est paru dans The Astrophysical Journal.

Les chercheurs n’ont pas produit une photographie de nuages d’hydrogène individuels. Des analyses indépendantes des deux moitiés de la bande de fréquences ont aussi détecté le signal, ce qui écarte un artefact instrumental.

Il a fallu plus de deux ans de travail sur les données pour s’assurer que le signal était réel.

Le signal cosmologique est noyé sous des émissions bien plus brillantes. L’équipe a mis au point de nouvelles méthodes pour repérer les interférences radio, contrôler les effets instrumentaux dépendant de la fréquence, supprimer les avant-plans astronomiques et corriger les erreurs de calibration résiduelles. Will Percival, astrophysicien à l’Université de Waterloo, extérieur à la collaboration, a souligné que ce signal n’était pas facile à extraire.

Pourquoi se passer des relevés de galaxies change la donne

Jusqu’ici, CHIME devait croiser ses observations avec les données de relevés de galaxies d’autres télescopes. Une détection antérieure, à un décalage vers le rouge moyen de 2,3, reposait ainsi sur la forêt Lyman-alpha mesurée par eBOSS. Ces relevés optiques doivent confirmer chaque objet un par un, alors que la cartographie d’intensité mesure l’émission cumulée de vastes régions, sans isoler les galaxies. L’instrument s’y prête : quatre réflecteurs cylindriques sans pièce mobile, qui laissent la rotation de la Terre balayer le ciel.

Les relevés de galaxies coûtent plusieurs millions de dollars de plus.

En cartographiant la lueur combinée de l’hydrogène, CHIME peut explorer les mêmes questions à plus grande échelle, plus loin dans le temps, pour une fraction du coût. Le télescope, hébergé près de Penticton par le Conseil national de recherches du Canada, cartographie tout le ciel nord chaque jour.

Reste une limite, et elle est de taille. Le résultat ne mesure pas encore l’énergie noire directement : il valide une technique. Pour filtrer le bruit radio, l’équipe a dû retirer les données montrant comment l’écart entre grands nuages d’hydrogène évoluait il y a des milliards d’années. Si l’analyse future les restitue, elle permettra d’estimer la force de l’énergie noire à cette époque.

Les 94 nuits analysées ne représentent qu’une fraction du matériau disponible : depuis 2016, CHIME fonctionne en continu et a accumulé plus de sept ans de données d’observation.

Sources : futura-sciences.com | enerzine.com