De nouvelles contraintes sur la cosmologie et la gravité grâce aux vides cosmiques

Vendredi, 2 septembre 2016

Une équipe internationale de chercheurs, dont trois scientifiques du CNRS et un professeur de l'UPMC, a mis en évidence de nouvelles contraintes sur la relativité générale – la théorie de la gravitation d'Einstein – à l'aide des vides cosmiques. Ce sont des zones de l'univers où la densité de matière est très faible, l'espace y est donc quasiment vide. De plus comme le volume de l'univers est essentiellement constitué de ces vides cosmiques, ils représentent des outils uniques pour sonder la physique de la gravité pour des valeurs de densité de matière encore insuffisamment explorés. S'appuyant sur les données du programme de relevés SDSS3 (Sloan Digital Sky Survey), les chercheurs ont validé une nouvelle fois les prédictions de la théorie de la relativité générale. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters datée du 25 août 2016.

Les vides cosmiques : composants majeurs du volume de l'univers encore peu exploités
La matière dans l'univers est organisée dans l'espace en quatre types de structures : amas, murs, filaments, et vides cosmiques (voir Figure 1, la couleur trace la matière noire). Ces derniers occupent près de 75 % du volume de l'univers. Leur contenu en matière, sombre ou lumineux, est concentré de manière prédominante sur leur bord. Le reste de la matière contenue dans la partie centrale de ces vides est attiré vers cette frontière, ce qui entraîne une diminution de la quantité de matière avec le temps. Ces vides comportent néanmoins quelques galaxies qui permettent d'illuminer leur comportement dynamique. Ces caractéristiques font de ces objets des "laboratoires" de choix pour étudier la physique de la gravité ainsi que l'énergie noire.


Figure 1 : Image illustrant les grandes structures de l'univers obtenue grâce à une simulation à N-corps (simulation d’un système dynamique de particules auto-gravitantes). Les régions brillantes sont riches en matière. On peut remarquer la filamentation prononcée de la matière. Les vides cosmiques sont aussi clairement visibles (régions noires/sombres). Crédits : N. Hamaus//Ludwig Maximilian University of Munich.


Depuis une dizaine d'année des chercheurs de la collaboration ont développé de nouvelles techniques d'analyse qui permettent d'exploiter ces régions particulières de l'univers, afin d'extraire des informations cosmologiques, et plus particulièrement des contraintes sur la physique de l'énergie noire. Ces techniques s'appuient sur la vitesse apparente totale des galaxies qui s'échappent d'un vide cosmique "moyen" (voir Figure 2). Cette vitesse est induite par deux phénomènes physiques. Une partie est due à la vitesse d'expansion de l'univers qui dépend de l'éloignement du vide considéré depuis l'observateur (aussi nommé effet Alcock-Paczyński). L'autre partie provient des mouvements engendrés par le contenu matériel du vide cosmique lui-même, c'est-à-dire principalement l'expulsion de la matière vers la limite du vide (effet Kaiser).



Figure 2 : Profil moyen de densité de matière pour un vide cosmique (couleurs d'arrière-plan, de bleu, indiquant la densité la plus faible, à rouge, correspondant à la densité la plus élevée), auquel sont superposées des lignes de niveaux de densité pour illustrer la déformation induite par la vitesse d'échappement des objets situés à l'intérieur. Crédits : N. Hamaus/Ludwig Maximilian University of Munich

De nouvelles contraintes sur la gravité
Les chercheurs ont appliqué cette technique aux galaxies composant le Sloan Digital Sky Survey 3, un relevé profond de plus d'un million de galaxies du ciel de l'hémisphère nord. En mesurant soigneusement les caractéristiques moyennes des vides cosmiques qui y ont été identifiés, les chercheurs ont pu réaliser des mesures aboutissant à des contraintes sur les paramètres cosmologiques et du couplage entre la matière et le champ de gravité. Ces contraintes vont au-delà de celles existantes tout en restant complémentaires. Elles donnent accès à de l'information sur la physique du cosmos à une échelle de l'ordre de quelques dizaines de millions d'années lumières. Les autres indicateurs du champ de gravité en cosmologie s'appuient sur des échelles de l'ordre du milliard d'années lumières (par ex. le fond diffus cosmologique) ou au contraire quelques milliers (par ex. les galaxies). Par ailleurs, cette nouvelle méthode permet de tester la gravité dans des environnements isolés et peu denses. Les résultats confirment le succès de la relativité générale à rendre compte des observations. De futurs relevés profonds de galaxies (comme Euclid) permettront d'obtenir des contraintes sans précédent sur la relativité dans des régimes encore inexplorés à l'aide des vides cosmiques, notamment grâce aux 50 millions de galaxies et à une couverture en volume 10 fois plus grande.

Ces recherches ont bénéficié du soutien de l'IAP, du Labex ILP (ANR-10-LABX-63), du Labex OCEVU (ANR-11-LABX-0060) et du projet A*MIDEX (ANR-11-IDEX-0001-02), de l'ANR (ANR-10-CEXC-004-01, ANR-11-JS56-003-01), et de la NSF (NSF AST 09-08693).

Contacts chercheurs :

  • Auteur principal : Nico Hamaus, hamaus [at] usm [dot] lmu [dot] de, (ancien postdoc CNRS)
  • Chercheur IAP/INSU/CNRS : Guilhem Lavaux, guilhem [dot] lavaux [at] iap [dot] fr
  • Chercheurs CPPM/IN2P3/CNRS : Alice Pisani, pisani [at] cppm [dot] in2p3 [dot] fr (ancienne doctorante IAP), Stéphanie Escoffier, escoffier [at] cppm [dot] in2p3 [dot] fr
  • Professeur IAP/UPMC : Benjamin Wandelt, benjamin [dot] wandelt [at] iap [dot] fr
  • Chercheur Ohio State University : Paul M. Sutter, sutter [dot] 84 [at] osu [dot] edu (ancien postdoc IAP/CNRS)
  • Professeur Ludwig Maximilian Universitat : Jochen Weller, Jochen [dot] weller [at] usm [dot] lmu [dot] de
Pour en savoir plus: 
Source(s): 

Constraints on Cosmology and Gravity from the Dynamics of Voids, Phys. Rev. Lett. 117, 091302, 25 août 2016

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