La majeure partie de l’univers est constituée de matière noire invisible. Les scientifiques ont utilisé la lueur du Big Bang pour le cartographier

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De nouvelles recherches menées par des Canadiens avec une équipe internationale du télescope cosmologique d’Atacama au Chili ont produit une carte de la matière noire sur un quart du ciel.

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Ses détails correspondent à des prédictions centenaires et la texture marbrée de son apparence est une confirmation importante de la théorie révolutionnaire de la relativité générale d’Albert Einstein.

La matière noire est la curieuse solution théorique au problème d’observation qui manque à la majeure partie de l’univers, quelque chose comme 85 % de celui-ci. Quoi qu’il en soit, ce n’est pas fait d’atomes. Il est détectable par ses effets gravitationnels, mais n’interagit autrement avec rien d’autre, y compris la lumière.

Vous ne pouvez donc pas le voir, ce qui fait d’une carte un projet curieux.

Bien sûr, les scientifiques dressent des cartes de choses qu’ils ne peuvent pas voir tout le temps, avec des détecteurs de métaux, des sonars ou des radars, mais c’est généralement simplement parce que ces choses sont en quelque sorte obscurcies et pourraient être vues en théorie. Dans ce cas, ils cartographient quelque chose qui ne peut pas être vu en principe, et étrangement, ils utilisent toujours la lumière pour le cartographier.

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Alors comment ont-ils fait ? Le concept clé est appelé lentille gravitationnelle, a déclaré le co-auteur Adam Hincks, qui en plus d’être cosmologiste et professeur adjoint au département d’astronomie et d’astrophysique David A. Dunlap de l’Université de Toronto, est également un prêtre jésuite.

« En science, vous voyez rarement directement quelque chose avec vos yeux. C’est toujours médiatisé par des instruments », a déclaré Hincks. « Nous utilisons la toute première lumière que nous pouvons voir dans l’univers, appelée fond diffus cosmologique, qui a été produite très peu de temps après le Big Bang. Nous pouvons dire à quel point la lumière s’est inclinée. C’est une procédure élaborée, mais nous pouvons voir comment ce modèle a été modifié.

La gravité est une force attractive exercée par la masse. Au cours du siècle environ qui s’est écoulé depuis qu’Einstein a proposé sa théorie à ce sujet, appelée relativité générale, les physiciens ont compris que la gravité déforme le tissu spatio-temporel de l’univers. Ainsi, lorsque la lumière dépasse la masse, elle se plie. La lumière se déplace toujours en lignes droites, mais parfois à travers un univers courbé, suivant un parcours défini par les distorsions de la gravité.

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Cela a été observé pour la première fois dans une célèbre expérience de 1919 par l’astronome Arthur Eddington, lorsque des étoiles proches du Soleil pendant une éclipse solaire ont été vues comme étant décalées en position. Cela a montré que leur lumière avait été courbée lorsqu’elle traversait la gravité du Soleil.

C’est la même physique derrière la lentille gravitationnelle. Il dévie toute la lumière, pas seulement la lumière qui vient des étoiles. Il déforme également la lumière la plus ancienne qui soit, le flash persistant incroyablement faible du Big Bang, connu sous le nom de fond cosmique de micro-ondes. C’est la lumière qui voyage depuis que l’univers a commencé par s’étendre à partir d’un seul point, connu sous le nom de Big Bang. Ainsi, aujourd’hui, environ 14 milliards d’années plus tard, cette ancienne lueur vient toujours sur Terre de tous les points du ciel qui s’éloigne.

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Dans le désert d’Atacama à haute altitude au Chili, le télescope construit au Canada peut observer cette lueur, qui apparaît dans les espaces sombres où elle n’est pas maîtrisée par la lumière de la galaxie terrestre, la Voie lactée, qui apparaît comme un halo blanc.

Chaque rayon de lumière dans le fond cosmique des micro-ondes est arrivé, plus ou moins, depuis le début des temps. Et bien sûr, en raison de la lentille gravitationnelle, sa trajectoire a été très légèrement courbée par la matière qui s’y trouve dans l’espace, de sorte que sa trajectoire a été quelque chose comme une agitation.

Dans l’immensité de l’espace, la plupart des éléments qui exercent une gravité sont de la matière noire. Ainsi, une carte des distorsions du fond cosmique des micro-ondes causées par la lentille gravitationnelle n’est pas vraiment une carte de la matière régulière dans l’espace, comme les galaxies largement dispersées, les trous noirs et les nuages ​​​​de poussière qui constituent la petite fraction de la matière atomique, bien que leur gravité gravitationnelle les effets contribuent.

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C’est une carte de la matière noire. Surtout, il s’avère être marbré en apparence, reflétant ce que Hincks appelle une « grosse » dans l’univers.

« Ce qui est important à propos de ces gros morceaux, c’est que, sans eux, vous n’auriez pas la petite échelle », a déclaré Hincks. Sans d’énormes structures de matière noire pour exploiter gravitationnellement et collecter la matière ordinaire, il n’y aurait pas de galaxies, pas de trous noirs, pas d’étoiles.

La théorie prédit déjà à quel point l’univers devrait être grumeleux. Tout grumeleux, a déclaré Hincks, et il se serait effondré de manière chaotique il y a longtemps. Moins grumeleux, il aurait été un gaz diffus, froid et statique, sans aucune structure. L’univers existant est dans une position Boucle d’or entre deux extrêmes théoriques.

Ce que cette recherche montre, c’est que les grosseurs observées correspondent aux grosseurs théoriquement prédites. C’est le truc de la découverte. « Nous avons mesuré cette lentille, et elle correspond parfaitement à ce que prédit notre théorie. Nous le comprenons donc bien », a déclaré Hincks.

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Il correspond également aux observations prises par le satellite Planck, un télescope spatial qui a fonctionné entre 2009 et 2013, cartographiant également le fond diffus cosmologique.

« C’est très rassurant, car en science, vous voulez toujours vérifier avec plusieurs mesures chaque fois que possible », a déclaré Hincks.

Pourquoi l’univers devrait être grumeleux, par opposition à uniforme, est l’une des plus grandes questions de la science moderne. La réponse la plus populaire implique un processus appelé inflation, impliquant des effets quantiques à la plus petite échelle de matière lors de l’étirement rapide de l’univers primitif.

Un nouvel observatoire, en cours de construction au même endroit que le télescope de cosmologie d’Atacama, visera à voir l’empreinte que l’inflation pourrait avoir laissée sur le fond diffus cosmologique.

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La longue liste des co-auteurs de cette collaboration internationale comprend plusieurs Canadiens, dont Renée Hložek, également de l’UofT, et Mandana Amiri de l’Université de la Colombie-Britannique. L’auteur principal Mathew Madhavacheril est à l’Université de Pennsylvanie, mais a effectué une grande partie de ce travail alors qu’il était au Perimeter Institute for Theoretical Physics à Waterloo, en Ontario.

Richard Bond de l’Université de Toronto, une autorité canadienne de premier plan sur le fond cosmique des micro-ondes, a contribué à l’utilisation par l’équipe d’un superordinateur appelé Niagara à Toronto pour exécuter de nombreux chiffres. Et le télescope Atacama Cosmology lui-même a été construit en Colombie-Britannique et expédié au Chili, où le désert aride à haute altitude est idéal pour éviter les interférences de l’eau atmosphérique.

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Ce télescope est maintenant hors service. Cette expérience, proposée pour la première fois il y a 20 ans, était son dernier grand hourra. La recherche doit être publiée dans The Astrophysical Journal.

« Nous avons cartographié la matière noire invisible à travers le ciel sur les plus grandes distances, et voyons clairement les caractéristiques de ce monde invisible qui s’étendent sur des centaines de millions d’années-lumière », a déclaré le co-auteur Blake Sherwin, professeur de cosmologie à l’Université de Cambridge. . « Cela ressemble à ce que nos théories prédisent. »