La caméra du télescope du Pôle Sud a été améliorée en 2017. Une analyse des premières données d’observation vient d’être publiée dans la revue Physical Review D. Crédit : Brad Benson/Université de Chicago.
Les cartes de lentilles gravitationnelles issues des données initiales promettent encore plus de détails.
Argonne fait partie d’un effort multi-institutionnel visant à étudier le ciel à la recherche d’indices sur les origines et la nature de notre univers.
Depuis plus de cinq ans, les scientifiques du télescope du pôle Sud en Antarctique observent le ciel avec une caméra améliorée. Le regard étendu vers le cosmos capte la lumière résiduelle de la formation initiale de l’univers. Les chercheurs ont maintenant analysé un premier lot de données et publié les détails dans la revue Examen physique D. Les résultats de cet ensemble de données limité suggèrent des perspectives futures encore plus puissantes sur la nature de notre univers.
Percées dans l’analyse du fond cosmique des micro-ondes
Situé à la station Amundsen-Scott du pôle Sud de la National Science Foundation, le télescope a reçu en 2017 une nouvelle caméra connue sous le nom de SPT-3G, qui a été construite et désormais exploitée par une collaboration dirigée par le Université de Chicago.
Equipé de 16 000 détecteurs, soit 10 fois plus que son prédécesseur, le SPT-3G est au cœur de la recherche multi-institutionnelle menée en partie par le Laboratoire national d’Argonne. L’objectif est de mesurer la lumière faible connue sous le nom de fond diffus cosmologique. Le fond cosmique des micro-ondes est la rémanence du Big Banglorsque l’univers a surgi d’un seul point d’énergie il y a près de 14 milliards d’années.
Le fond cosmique des micro-ondes – la lumière la plus ancienne de l’univers – a parcouru de vastes distances avant de nous atteindre. Au cours de son long voyage, les forces gravitationnelles des structures cosmiques massives ont fait plier sa trajectoire avant d’être capturées par le télescope du pôle Sud. Crédit : Zhaodi Pan/Laboratoire National d’Argonne
« Le CMB est une carte au trésor pour les cosmologistes », a déclaré Zhaodi Pan, auteur principal de l’article et boursier Maria Goeppert Mayer à Argonne. « Ses minuscules variations de température et de polarisation offrent une fenêtre unique sur les débuts de l’univers.
Lentilles gravitationnelles et informations sur la matière noire
Le papier dans Examen physique D propose les premières mesures de lentilles gravitationnelles CMB du SPT-3G. La lentille gravitationnelle se produit lorsque le vaste réseau de matière de l’univers déforme le CMB lors de son voyage dans l’espace. Si vous deviez placer la base incurvée d’un verre à vin sur la page d’un livre, le verre déformerait votre vision des mots qui se trouvent derrière. De la même manière, la matière dans la ligne de visée du télescope forme une lentille qui courbe la lumière CMB et notre vision de celle-ci. Albert Einstein a décrit cette déformation de la structure de l’espace-temps dans sa théorie de la relativité générale.
« Le CMB est une carte au trésor pour les cosmologues. Ses minuscules variations de température et de polarisation ouvrent une fenêtre unique sur les débuts de l’univers. — Zhaodi Pan, boursière Maria Goeppert Mayer à Argonne
Les mesures de cette distorsion contiennent des indices sur l’univers primitif et des mystères comme la matière noire, une composante invisible du cosmos. « La matière noire est difficile à détecter, car elle n’interagit pas avec la lumière ou d’autres formes de rayonnement électromagnétique. Actuellement, nous ne pouvons l’observer que par le biais d’interactions gravitationnelles », a déclaré Pan.
Les scientifiques étudient le CMB depuis sa découverte dans les années 1960, en l’observant à l’aide de télescopes au sol et dans l’espace. Même si l’analyse la plus récente n’utilise que quelques mois de données SPT-3G datant de 2018, la mesure de la lentille gravitationnelle est déjà compétitive dans le domaine.
« L’une des parties vraiment passionnantes de cette étude est que le résultat provient essentiellement de la commande de données datant du début des observations avec le SPT-3G – et le résultat est déjà excellent », a déclaré Amy Bender, physicienne à Argonne et co-auteur de l’article. « Nous avons encore cinq années de données sur lesquelles nous travaillons actuellement, donc cela ne fait qu’indiquer ce qui va arriver. »
Orientations de recherche futures prometteuses
L’atmosphère sèche et stable et l’emplacement éloigné du télescope du pôle Sud créent le moins d’interférences possible lors de la recherche de modèles CMB. Pourtant, les données de la caméra hautement sensible SPT-3G contiennent une contamination provenant de l’atmosphère, ainsi que de notre propre galaxie et de sources extragalactiques. Analyser ne serait-ce que quelques mois de données du SPT-3G est une entreprise qui dure des années, car les chercheurs doivent valider les données, filtrer le bruit et interpréter les mesures. L’équipe a utilisé un cluster dédié, un groupe d’ordinateurs, au centre de ressources informatiques du laboratoire d’Argonne pour exécuter certains calculs de recherche.
« Nous avons constaté que les modèles de lentilles observés dans cette étude sont bien expliqués par la relativité générale », a déclaré Pan. « Cela suggère que notre compréhension actuelle de la gravité est valable pour ces grandes échelles. Les résultats renforcent également notre compréhension actuelle de la façon dont les structures de matière se sont formées dans notre univers.
Les cartes de lentilles SPT-3G issues d’années supplémentaires de données aideront également à sonder l’inflation cosmique, ou l’idée selon laquelle l’univers primitif a subi une expansion exponentielle rapide. L’inflation cosmique est « une autre pierre angulaire de la cosmologie », a noté Pan, et les scientifiques recherchent des signes de premiers signes. ondes gravitationnelles et d’autres preuves directes de cette théorie. La présence de lentilles gravitationnelles introduit des interférences avec les empreintes inflationnistes, nécessitant l’élimination de cette contamination, qui peut être calculée à l’aide de mesures précises de lentilles.
Si certains résultats issus des nouvelles données SPT-3G renforceront les connaissances existantes, d’autres soulèveront de nouvelles questions.
« Chaque fois que nous ajoutons des données, nous découvrons davantage de choses que nous ne comprenons pas », a déclaré Bender, titulaire d’un poste conjoint à l’Université de Chicago. « Au fur et à mesure que vous épluchez les couches de cet oignon, vous en apprenez de plus en plus sur votre instrument ainsi que sur vos mesures scientifiques du ciel. «
On sait si peu de choses sur les composants invisibles de l’univers que toute compréhension acquise est essentielle, a déclaré Pan : « Plus nous en apprenons sur la répartition de la matière noire, plus nous nous rapprochons de la compréhension de sa nature et de son rôle dans la formation de l’univers dans lequel nous vivons. Aujourd’hui. »
Ce travail a été financé par le Bureau des programmes polaires de la National Science Foundation et le programme de physique des hautes énergies du DOE Office of Science. L’analyse scientifique a été dirigée par Pan, en étroite collaboration avec les co-auteurs principaux WL Kimmy Wu et Federico Bianchini (Laboratoire national SLAC) et la collaboration SPT-3G. Les co-auteurs affiliés à Argonne avec Bender et Pan sont Lindsey Bleem, Karen Byrum, John Carlstrom, Faustin Carter (ancien élève d’Argonne), Thomas Cecil, Clarence Chang, Junjia Ding (ancien élève d’Argonne), Riccardo Gualtieri (ancien élève d’Argonne), Angelina Harke- Hosemann (ancien élève d’Argonne), Jason Henning (ancien élève d’Argonne), Florian Kéruzoré, Trupti Khaire (ancien élève d’Argonne), Steve Kuhlmann, Valentine Novosad, John Pearson, Chrystian Posada (ancien élève d’Argonne), Gensheng Wang et Volodymyr Yefremenko.
