La collaboration du télescope de cosmologie Atacama (ACT), qui comprend des chercheurs de l'Université de Toronto, a récemment produit les images les plus claires à ce jour de l'enfance de l'univers depuis le premier temps cosmique accessible aux humains.
Mesurer la lumière qui a voyagé pendant près de 14 milliards d'années pour atteindre un télescope haut dans les Andes chiliennes, les deux nouvelles images révèlent l'univers alors qu'il avait environ 380 000 ans – l'équivalent de photos de bébé vieille d'un adulte d'âge moyen.
« Nous avons produit deux images de l'univers très précoce à partir d'une époque avant qu'il y ait des étoiles et des galaxies – lorsque tout l'espace était rempli d'un mélange presque parfaitement uniforme d'hydrogène et d'hélium, de radiation et de matière noire », explique Adam Hincks, professeur adjoint à U de T de David A. Dunlap Department of Astronomy et Astrophysics de la Faculté des arts et des sciences et des sciences de la Saint-Michael.
« La première image nous donne un instantané de minuscules variations de la densité du gaz primordial. Au cours des millions d'années, les régions légèrement plus denses ont grandi sous l'influence de la gravité pour former des étoiles et des galaxies. Ainsi, l'instantané nous montre le point de départ pour toute la structure merveilleuse que nous voyons dans l'univers aujourd'hui.
« La deuxième image nous indique la vitesse du gaz et révèle ainsi sa dynamique. Nous obtenons cette carte du mouvement du gaz en mesurant la polarisation du fond micro-ondes cosmique (CMB). Nous l'avons fait pour une sensibilité sans précédent, donnant une image beaucoup plus claire de la vitesse du gaz que celle précédemment disponible. »
La deuxième image donne la confiance de la collaboration que les astrophysiciens comprennent le comportement de l'univers précoce car il permet une autre façon de mesurer la quantité de matière atomique dans l'univers, ainsi que la question de la matière sombre – et la vitesse de l'univers. Cela renforce également considérablement la confiance des chercheurs selon lesquels ils comprennent la théorie derrière ce qui est observé.
Les nouvelles photos du CMB sont à une résolution plus élevée que celles produites il y a plus de dix ans par la Mission Planck, un télescope spatial conçu pour observer le CMB. ACT mesure l'intensité et la polarisation de la lumière à cinq fois la résolution de Planck et avec un bruit d'environ trois fois plus bas. Cela signifie que le faible signal de polarisation est désormais directement visible dans les images d'Act.
« Il y a eu de nombreux résultats au fil des ans, mais c'est le plus impressionnant en termes de volume de données et de la zone du ciel couvert », explique Richard Bond, professeur d'université au Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) et membre de la collaboration ACT.
« Toronto a joué un grand rôle dans la mission de Planck pour étudier le CMB et dans ACT », explique Bond. « Et c'est ce punch un-deux qui a déterminé avec une précision incroyable le modèle standard de cosmologie. C'est assez étonnant. »
Les nouveaux résultats confirment un modèle simple de l'univers et ont exclu la plupart des alternatives concurrentes, selon l'équipe de recherche. Les travaux n'ont pas encore été passés par les pairs, mais les chercheurs ont soumis une suite d'articles à la Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Et les résultats ont été présentés au Sommet mondial de la physique de l'American Physical Society le 19 mars.
La collaboration ACT comprend des professeurs, des chercheurs postdoctoraux et des étudiants de l'Université de Toronto.
Yilun Guan, chercheur postdoctoral au Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, un Schmidt AI in Science Fellow, et un co-auteur des dernières recherches, a dirigé deux composantes critiques de mission de l'analyse des actes: sélection des données et étalonnage.
« Ces efforts étaient essentiels pour produire ce résultat, la carte CMB la plus sensible à ce jour, couvrant plus de 40% du ciel à haute résolution – une étape importante dans la cosmologie observationnelle moderne », dit-il.
Les membres de longue date de la collaboration et des co-auteurs comprennent: Hincks, Bond et Renée Hložek, professeur agrégé au Département d'astronomie et d'astrophysique et du Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics. Un membre plus récent de la collaboration est Simran Nerval, un étudiant diplômé du département.
« Je suis impliqué dans ACT depuis le début de mon dphil en 2008 et ces résultats représentent le travail cumulatif de tant de personnes au cours de ces nombreuses années », explique Hložek. « En outre, c'est un véritable privilège de voir mon étudiant Simran mener des parties de l'analyse de l'un des articles et de générer la version » ACT final « d'une intrigue que j'ai faite pour ACT en 2012. »
Les autres contributeurs canadiens comprennent des chercheurs de l'Université de la Colombie-Britannique et de l'Université McGill. En outre, Toronto a longtemps joué un rôle clé en fournissant des ressources informatiques pour ACT sur le supercalculateur Niagara du Scinet High Performance Computing Consortium à U of T – à la fois aux membres de l'ACT locaux et aux membres de leur collaboration internationale.
Mesurer l'enfant de l'univers
Les nouvelles mesures d'ACT ont également affiné des estimations pour l'âge de l'univers et à quelle vitesse il se développe aujourd'hui. L'infaillance de la matière dans l'univers précoce a envoyé des ondes sonores dans l'espace, comme des ondulations se propageant en rond sur un étang.
Un univers plus jeune aurait dû se développer plus rapidement pour atteindre sa taille actuelle et les images que nous mesurons semblent nous atteindre à partir de distances plus proches. L'étendue apparente des ondulations dans les images serait plus grande dans ce cas, de la même manière qu'un souverain maintenu plus près de votre visage semble plus grand que celui maintenu à la longueur du bras.
Les nouvelles données confirment que l'âge de l'univers est de 13,8 milliards d'années, avec une incertitude de seulement 0,1%.
Le CMB et la tension Hubble
Le résultat fournit également une mesure importante de la constante de Hubble, la vitesse à laquelle l'espace se développe aujourd'hui. Les mesures précédentes dérivées du CMB ont constamment montré un taux d'expansion de 67 à 68 kilomètres par seconde par mégaparsec (environ 3,26 millions d'années-lumière), ce qui signifie qu'une galaxie un mégaparsec de la Terre se retire de 67 à 68 kilomètres par seconde.
En revanche, les mesures dérivées du CMB mais du mouvement des galaxies voisines indiquent une constante de Hubble jusqu'à 73 à 74 kilomètres par seconde par mégaparsec. Ce désaccord entre les valeurs est ce que les astronomes appellent la tension Hubble.
Un objectif majeur du travail était d'étudier des modèles alternatifs pour l'univers qui expliqueraient le désaccord et affiner la valeur de la constante, notamment: changer la façon dont les neutrinos et la matière noire se comportent; ajoutant une période d'expansion accélérée dans l'univers précoce; ou même changer les constantes fondamentales de la nature.
En utilisant leurs données nouvellement publiées, l'équipe ACT a confirmé la valeur inférieure de la constante de Hubble avec une précision accrue et n'a montré aucune preuve de la nécessité de modèles alternatifs. Selon la collaboration, le nouveau résultat signifie que le modèle standard de cosmologie a réussi un test extraordinairement précis.
ACT a terminé ses observations en 2022, et l'attention se tourne maintenant vers le nouvel observatoire de Simons plus capable au même endroit que l'acte désormais débumé au Chili.
« Alors que nous nous tournons vers le nouvel observatoire – qui a obtenu la première lumière ce mois-ci et qui continuera les observations du CMB – cela ressemble vraiment au cercle scientifique de la vie, avec de nouveaux télescopes commençant juste au moment où nous libérons nos résultats finaux à la communauté », dit Hložek.
