Tapissant le plan focal du télescope Mayall en Arizona, cinq mille « yeux » robotisés captent et analysent simultanément la lumière provenant de 5000 galaxies ou quasars. Cet instrument puissant, baptisé Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), permet de sonder l'Univers jusqu'à 11 milliards d'années-lumière et donc de retracer son histoire depuis sa « jeunesse », alors qu'il n'avait que 2,8 milliards d'années.

Les données fournies par DESI en seulement une année ont suffi pour reconstituer la plus grande carte 3D de l'Univers et mesurer l'expansion de l'Univers avec une précision extraordinaire :

• 0,5 % au cours des 11 derniers milliards d'années,
• 0,82 % à l'époque la plus ancienne (il y a 8 à 11 milliards d'années).

Pour la mesure de l'expansion de l'Univers aux époques anciennes, DESI s'est révélé devenu deux fois plus puissant en un an que le programme qui l'a précédé, BOSS/eBOSS du Sloan Digital Sky Survey, en plus d'une décennie.

Une expansion ralentie par la matière et accélérée par l'énergie sombre

L'« histoire » de l'expansion de l'Univers mesurée par DESI a pu être comparée au modèle de l'Univers appelé Lambda-CDM qui décrit les effets antagonistes de la matière (ordinaire ou « noire ») et de l'énergie sombre sur l'expansion de l'Univers. « Avec les observations très précises de DESI, le modèle Lambda-CDM tient toujours, affirme Arnaud de Mattia, physicien à l'Irfu qui codirige le groupe d'interprétation cosmologique des données de DESI. Cependant, nous observons des déviations qui pourraient indiquer que l'énergie sombre évolue au cours de l'histoire de l'Univers. Nous entrons dans un nouvel âge d'or de la cosmologie où nous allons pouvoir préciser la nature de l'énergie sombre et construire une meilleure compréhension de la dynamique de l'Univers. »

Arpentage cosmique

Grâce à DESI, les chercheurs mesurent aussi une grandeur reliée à la distribution spatiale des galaxies à différents âges de l'Univers : « l'échelle de distance » des oscillations acoustiques des baryons ou BAO. Ces échelles, utilisées comme « règles » cosmiques trouvent leur origine dans les ondes acoustiques qui ont parcouru le plasma très homogène de l'Univers à ses premiers instants et qui ont structuré l'Univers bien plus tard.

Les scientifiques mesurent cette échelle de distance dans différents échantillons de galaxies et de quasars et en déduisent la vitesse d'expansion de l'Univers pour différentes époques. Ils peuvent ainsi décrire comment l'énergie sombre affecte cette expansion. Pour l'époque la plus ancienne (il y a plus de 8 milliards d'années), ils utilisent les quasars dont la lumière est absorbée par les nuages de gaz intergalactiques. L'analyse des spectres d'absorption de ces astres lointains permet de cartographier la matière la plus éloignée (technique de la « forêt Lyman-alpha »).

Pour la première fois, cette analyse a été menée en masquant l'information cosmologique afin d'éviter tout biais de confirmation dans les mesures et la précision obtenue en un an par DESI surpasse celle de la génération de relevés spectroscopiques en 20 ans !

En route vers l'énergie sombre !

« À chaque nuit claire qui passe au Kitt Peak, nous mesurons jusqu'à 150 000 nouveaux objets astrophysiques extragalactiques, ajoute Étienne Burtin, physicien à l'Irfu et co-responsable du groupe d'analyse des données de DESI. Nous avons accumulé aujourd'hui trois fois plus de données qu'au cours de la première année et la moisson continue. DESI est en route vers l'énergie sombre ! »

La collaboration regroupe près de mille chercheurs de plus de 70 institutions à travers le monde. L'instrument a été construit et il est exploité grâce au financement du Department of Energy (DoE) des États-Unis. Il est installé sur le télescope de 4 mètres Nicholas U. Mayall de la National Science Foundation, situé à l'observatoire national de Kitt Peak.