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En examinant l’histoire de notre Univers avec un large échantillon de galaxies «actives» lointaines observées par XMM-Newton de l’ESA, une équipe d’astronomes a découvert que l’expansion de l’Univers pouvait être plus complexe que ne le prédisait le modèle cosmologique standard.

L’expansion de l’Univers serait plus complexe

Selon ce scénario, notre Univers ne contient que quelques pour cent de matière ordinaire. Un quart du cosmos est constitué de la matière noire, que nous pouvons sentir gravitationnellement mais que nous ne pouvons pas observer. Le reste consiste en une énergie noire encore plus mystérieuse qui entraîne l’accélération actuelle de l’expansion de l’Univers.
Ce modèle est basé sur une multitude de données recueillies au cours des deux dernières décennies, issues du fond diffus cosmologique, ou CMB, la première lumière de l’histoire du cosmos, a été diffusée seulement 380 000 ans après le Big Bang et observée avec des détails sans précédent par la mission Planck de l’ESA – vers des observations plus « locales ».
Ces dernières incluent les explosions de supernova, les amas de galaxies et la distorsion gravitationnelle marquée par la matière noire sur les galaxies. Elles peuvent être utilisées pour suivre l’expansion cosmique au cours des dernières époques de l’histoire de l’Univers – ou pour être plus précis; au cours des neuf derniers milliards d’années.

Un autre type de traceur comblerait une partie du fossé

Une nouvelle étude, dirigée par Guido Risaliti de l’Università di Firenze, en Italie, et Elisabeta Lusso, de l’Université de Durham, au Royaume-Uni, indique un autre type de traceur cosmique – les quasars – qui comblerait une partie du fossé entre ces observations, en mesurant l’expansion du Univers il y a jusqu’à 12 milliards d’années.
Les quasars sont les noyaux des galaxies où un trou noir supermassif actif puise dans la matière de son environnement à une vitesse très intense et brille à travers le spectre électromagnétique. Lorsque ce matériau tombe dans le trou noir, il forme un disque tourbillonnant qui émet une lumière visible et ultraviolette. cette lumière, à son tour, réchauffe les électrons à proximité, générant des rayons X.
Il y a trois ans, Guido et Elisabeta ont compris qu’une relation bien connue entre la luminosité ultraviolette et la luminosité des rayons X pouvait être utilisée pour estimer la distance de ces sources – ce qui est notoirement délicat en astronomie – et en fin de compte, pour sonder l’histoire de l’expansion de l’univers.
La classe la plus remarquable, connue sous le nom de «supernova de type Ia», consiste en la disparition spectaculaire d’étoiles naines blanches après avoir surchargé le matériau d’une étoile compagnon, générant des explosions d’une luminosité prévisible permettant aux astronomes de déterminer la distance. Les observations de ces supernovas à la fin des années 90 ont révélé l’expansion accélérée de l’Univers au cours des derniers milliards d’années.
«L’utilisation de quasars comme traceur présente un grand potentiel, car nous pouvons les observer à des distances beaucoup plus grandes que les supernovas de type Ia et les utiliser pour sonder des époques bien plus anciennes de l’histoire du cosmos», explique Elisabeta.
Avec un échantillon considérable de quasars, les astronomes ont maintenant mis leur méthode en pratique et les résultats sont intrigants. En fouillant dans les archives XMM-Newton, ils ont collecté des données de rayons X pour plus de 7 000 quasars, en les associant à des observations ultraviolettes issues du Sloan Digital Sky Survey au sol.
Ils ont également utilisé un nouvel ensemble de données, spécialement obtenues avec les XMM-Newton en 2017 pour examiner des quasars très éloignés, tels qu’ils étaient à l’époque où l’Univers n’avait que deux milliards d’années environ. Enfin, ils ont complété les données avec un petit nombre de quasars encore plus distants et quelques-uns relativement proches, observés respectivement avec les observatoires de rayons X Chandra et Swift de la NASA.

Les rayons X et l’émission ultraviolette ont grandement affiné la technique d’estimation de la distance

«Un échantillon aussi important nous a permis d’examiner minutieusement la relation entre les rayons X et l’émission ultraviolette de quasars, ce qui a grandement affiné notre technique d’estimation de la distance», explique Guido.
Les nouvelles observations de quasars distants par les XMM-Newton sont si bonnes que l’équipe a même identifié deux groupes différents: 70% des sources brillaient sous des rayons X de basse énergie, tandis que les 30% restantes émettaient de moins grandes quantités de rayons X caractérisé par des énergies plus élevées.
Pour l’analyse ultérieure, ils ont uniquement conservé le groupe de sources précédent, dans lequel la relation entre les rayons X et les émissions ultraviolettes apparaît plus claire.
«Il est assez remarquable que nous puissions discerner un tel niveau de détail dans des sources si éloignées de nous alors que leur lumière voyage depuis plus de dix milliards d’années avant de nous parvenir», déclare Norbert Schartel, responsable scientifique du projet XMM-Newton à l’ESA.
Après avoir parcouru toutes les données et ramené l’échantillon à environ 1 600 quasars, les astronomes se sont retrouvés avec les meilleures observations, ce qui a permis de faire des estimations de la distance à laquelle ils pourraient être utilisés pour étudier le développement de l’Univers.
« Lorsque nous combinons l’échantillon de quasars, qui couvre près de 12 milliards d’années d’histoire cosmique, avec l’échantillon plus local de supernovas de type Ia, couvrant seulement les huit milliards d’années environ, nous obtenons des résultats similaires dans les périodes qui se chevauchent » Elisabeta.
« Cependant, dans les phases antérieures que nous ne pouvons sonder qu’avec des quasars, nous constatons un décalage entre l’évolution observée de l’Univers et ce que nous avions prédit selon le modèle cosmologique standard. »
En examinant cette période de l’histoire cosmique jusque-là peu explorée à l’aide de quasars, les astronomes ont révélé une tension possible dans le modèle standard de la cosmologie, qui pourrait nécessiter l’ajout de paramètres supplémentaires pour réconcilier les données avec la théorie.
«L’une des solutions possibles serait d’invoquer une énergie noire en évolution, avec une densité qui augmente avec le temps», explique Guido. Incidemment, ce modèle particulier permettrait également d’atténuer une autre tension qui préoccupe les cosmologistes, à propos de la constante de Hubble – le taux d’expansion cosmique actuel.
Cette différence a été constatée entre les estimations de la constante de Hubble dans l’Univers local, fondée sur les données de la supernova – et indépendamment des amas de galaxies – et celles fondées sur les observations de Planck du fond cosmique hyperfréquence dans l’Univers précoce.

Un modèle qui pourrait résoudre deux énigmes à la fois

« Ce modèle est très intéressant car il pourrait résoudre deux énigmes à la fois, mais nous devrons examiner de nombreux autres modèles dans les moindres détails avant de pouvoir résoudre cette énigme cosmique », ajoute Guido.
L’équipe est impatiente d’observer encore plus de quasars à l’avenir pour affiner davantage leurs résultats. La mission Euclid de l’ESA, dont le lancement est prévu pour 2022, explorera également les dix milliards d’années d’expansion cosmique et étudiera la nature de l’énergie noire.
«C’est une période intéressante pour explorer l’histoire de notre Univers et il est excitant que XMM-Newton puisse contribuer en examinant une époque cosmique jusqu’à présent inexplorée», conclut Norbert.
Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Nature Astronomy.
Source : ESA

Les galaxies : une nouvelle physique de l'expansion cosmiquemartinEspace
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