Il a fallu environ 50 étoiles qui explosent pour bouleverser la cosmologie. Les chercheurs ont cartographié et mesuré la lumière à partir de supernovae de type IA, l'explosion dramatique d'un type particulier de nain blanc. En 1998, ils ont annoncé leurs résultats surprenants: au lieu de ralentir ou de rester constant, notre univers s'est développé de plus en plus rapidement. La découverte de «Dark Energy», l'ingrédient inconnu stimulant l'expansion accélérée, a reçu un prix Nobel.
Depuis la fin des années 90, des dizaines d'expériences utilisant différents télescopes et techniques ont capturé et publié plus de 2 000 supernovae de type IA de type (prononcé « one a »). Mais sans corriger ces différences, l'utilisation de supernovae des expériences distinctes est souvent un cas de comparaison des pommes et des oranges.
Pour unir les supernovae et mesurer plus précisément le rôle de Dark Energy dans notre univers, les scientifiques ont construit le plus grand ensemble de données standardisé des supernovae de type IA jamais réalisés. La compilation est appelée Union3 et a été construite par le projet international de cosmologie Supernova (SCP), dirigée par le Laboratoire national de Lawrence Berkeley du Département de l'énergie (Berkeley Lab).
L'analyse de cet ensemble de supernova laisse entendre que l'énergie sombre pourrait évoluer avec le temps. Les résultats, récemment publiés dans Le journal astrophysiquene sont pas assez forts pour dire de manière concluante que l'énergie sombre a commencé à s'affaiblir. Mais ils pointent dans le même sens que des analyses distinctes par l'instrument spectroscopique d'énergie sombre.
Les deux approches complémentaires en voyant des résultats similaires ont intrigué les chercheurs. De plus, un résultat partiellement indépendant d'une autre analyse de supernova (y compris les supernovae de l'enquête sur l'énergie noire dirigée par DOE) semble également soutenir la conclusion.
« Je ne pense pas que quiconque saute de haut en bas en devenir trop excité, mais c'est parce que nous, les scientifiques, supprimons toute manche prématurée, car nous savons que cela pourrait disparaître une fois que nous aurons encore de meilleures données », a déclaré Saul Perlmutter, qui a partagé le prix Nobel de 2011 pour avoir découvert l'énergie noire et est un scientifique du Berkeley Lab, professeur à UC Berkeley, et co-autoroute du journal.
« D'un autre côté, les gens sont certainement assis sur leurs chaises maintenant que deux techniques distinctes montrent un désaccord modéré avec le modèle CDM Lambda simple. Il est excitant que nous commencions enfin à atteindre des niveaux de précision où les choses deviennent intéressantes et vous pouvez commencer à différencier les différentes théories de l'énergie sombre. »
Dans notre modèle régnant, la CDM Lambda, l'énergie noire (« lambda ») est supposée avoir la même force au fil du temps, et il contrecarre la contraction gravitationnelle due à la matière noire froide (« CDM »). Mais d'autres modèles qui permettent à l'énergie sombre de changer avec le temps pourraient être mieux adaptés à ce que les chercheurs voient dans les données. Si tel est le cas, il y a de grandes implications pour le sort de l'univers.
« Dark Energy représente près de 70% de l'univers et est ce qui motive l'expansion, donc si cela s'affaiblit, nous nous attendrions à voir l'expansion lente au fil du temps », a déclaré David Rubin, premier auteur du document Union3, professeur agrégé à l'Université de Hawai'i à Mānoa, et un membre de premier plan du projet de cosmologie de la supernova.
« L'univers se développe-t-il pour toujours, ou finit-il finalement, ou même recommence à se contracter? Cela dépend de cet équilibre entre l'énergie sombre et la matière. Nous voulons savoir qui gagne, et nous voulons comprendre cette pièce sous-jacente de notre univers. »
Le traçage de l'histoire de l'expansion de l'univers à l'aide de supernovae est un moyen de le comprendre. Parce que les supernovae ont une luminosité prévisible, les chercheurs peuvent les utiliser comme « bougies standard » pour mesurer la distance – de la même manière que vous pouvez calculer la longueur d'un couloir sombre en fonction de la brillance des flammes par un ensemble de bougies assorties. Les scientifiques étudient également le décalage vers le rouge, une mesure de la quantité de lumière de la supernova se sont déplacées dans des longueurs d'onde plus rouges en raison de l'expansion de l'espace.
Union3 standardise 2 087 supernovae de 24 ensembles de données et peut être utilisé pour regarder en arrière sur environ 7 milliards d'années d'histoire cosmique. Il s'appuie sur Union2, publié en 2010, qui contenait 557 supernovae. Pour combiner des supernovae à partir de jeux de données disparates, les chercheurs analysent la courbe de lumière: la façon dont la luminosité d'un supernova culmine et diminue caractéristique sur sa vie. Cela leur permet de trouver la luminosité intrinsèque et d'ajuster les supernovae afin qu'ils soient tous à la même échelle, comme calibrer une bougie d'un fabricant différent.
Les scientifiques ont réanalysé les supernovae avec une méthode statistique sophistiquée (un « modèle hiérarchique bayésien ») qui peut mieux tenir compte des incertitudes, incorporant des informations partielles et la probabilité d'erreurs. Il permet d'inclure des facteurs que les chercheurs ne savent peut-être pas exactement, mais avec des contraintes sur la façon dont ils les connaissent.
Par exemple, la nouvelle approche peut prendre en compte que les filtres dans un télescope peuvent dériver avec le temps, modifiant la quantité de lumière qui passe à partir d'une supernova. Ce type de flexibilité améliore la précision de l'analyse et a été difficile à inclure dans les techniques précédentes.
L'approche d'analyse améliorée sera utilisée pour incorporer des supernovae supplémentaires. Au cours de la prochaine année, les chercheurs prévoient d'ajouter trois autres ensembles de données, un avec des supernovae à faiblesmission vers le rouge (plus proche de) et deux avec des supernovae à haut débit rouge qui regardent plus loin dans le temps.
« Nous voulions définir une base de référence avant d'amener plusieurs centaines de nouvelles supernovae à faibleshift basse, qui est l'une des zones où l'étalonnage est le plus crucial et où nous avons certains des ensembles de données les plus faibles dans les résultats jusqu'à présent », a déclaré Greg Aldering, co-auteur de l'article et du physicien de Berkeley Lab Who a mené le projet Factory de supernova.
« Nous pensons que nous comprenons vraiment l'étalonnage d'une manière que personne n'a auparavant, et nous sommes ravis d'ajouter plus de supernovae et de voir ce qu'ils peuvent nous dire sur l'énergie sombre. »
Le nouveau cadre d'analyse aidera également à intégrer les dizaines à des centaines de milliers de supernovae supplémentaires attendues de l'Observatoire Vera C. Rubin de NSF / DOE (qui a récemment publié ses premières images) et du télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA au cours de la prochaine décennie.
Pour peindre une image plus complète du fonctionnement de notre univers, les chercheurs peuvent ensuite combiner leurs résultats avec ceux d'études complémentaires de l'énergie sombre qui utilisent différentes approches. L'autre technique de tête actuelle pour étudier comment l'énergie sombre varie dans le temps en mesurant comment les galaxies se regroupent – une caractéristique connue sous le nom d'oscillations acoustiques baryons, ou bao. C'est la mesure que Desi effectue.
« Bao peut regarder plus loin dans le temps lorsque l'énergie sombre a joué moins un rôle dans l'univers, et les supernovae sont particulièrement précises dans l'univers le plus récent », a déclaré Perlmutter. « Les deux techniques deviennent assez bonnes pour que nous puissions vraiment commencer à dire des choses sur les modèles d'énergie noire. Nous attendons pour atteindre ce point depuis longtemps. »
Le résultat conjoint de Supernovae et Bao utilisés ensemble est également un exemple frappant de l'objectif réussi qu'un laboratoire national peut apporter dans un domaine scientifique. Le laboratoire de Berkeley a soutenu le travail d'une décennie du projet de cosmologie Supernova conduisant à la découverte de l'accélération de l'univers, ainsi que ses études ultérieures de supernova sur les modèles d'énergie noire qui pourraient l'expliquer.
Le laboratoire a également lancé et dirige la collaboration DESI de 70 institution pour répondre à la même question avec la technique BAO, et a dirigé une série complémentaire de projets de fond micro-ondes cosmiques (CMB) qui fournissent des mesures cruciales d'univers précoces pour ces études d'énergie sombre.
Des chercheurs des bureaux voisins du même couloir ont ainsi aidé mutuellement à comprendre les forces et les faiblesses des deux approches d'énergie sombre variant dans le temps, les supernovae et le bao, comme ils ont été rassemblés avec le CMB pour obtenir des résultats conjoints. Les projets ont également inspiré les programmes de recherche de l'autre, aidant à construire ces ambitieux projets de pointe qui utilisent certains des plus grands télescopes sur le terrain et dans l'espace.
