Vers la fin de la constante cosmologique ? Les nouveaux résultats de la collaboration DESI renforcent cette hypothèse.

Le destin de l'Univers dépend de l'équilibre entre la matière et l'énergie noire. Cette dernière est l'ingrédient fondamental qui alimente l'accélération de son expansion. Les nouveaux résultats de la collaboration DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) s'appuient sur la plus grande carte en 3D de notre Univers jamais réalisée pour retracer l'influence de l'énergie noire au cours des 11 derniers milliards d'années écoulées. Les chercheurs constatent que l'énergie noire, jusque-là largement considérée comme une « constante cosmologique », pourrait en fait évoluer au fil du temps de manière inattendue.

DESI est une expérience internationale à laquelle participent plus de 900 chercheurs de plus de 70 institutions du monde entier et qui est gérée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère américain de l'énergie (DOE). Les membres de la collaboration ont fait part de leurs conclusions aujourd'hui dans plusieurs articles publiés sur le dépôt en ligne arXiv et lors d'une présentation au Global Physics Summit de l'American Physical Society à Anaheim, en Californie.

« Ce que nous observons est palpitant », déclare Arnaud de Mattia, physicien à l’Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (IRFU) au CEA-Paris Saclay et qui a co-dirigé le groupe de travail sur l’estimation des paramètres cosmologiques jusqu’en 2024. « Nous sommes peut-être à l’aube d’une avancée majeure de notre compréhension de l’énergie noire, cette mystérieuse composante qui représente 70 % de l’énergie de l’Univers. »

Dans le modèle de l'Univers communément admis, l'accélération de son expansion au cours des 7 derniers milliards d'années est expliquée par une constante cosmologique. Cette "constante" cosmologique constitue la forme la plus simple d'énergie noire dont les propriétés seraient constantes au cours du temps. Les données de DESI, lorsque considérées seules, sont compatibles avec ce modèle. Cependant, si l'on associe ces nouvelles mesures à d'autres, il y a de plus en plus d'indications que l'impact de l'énergie noire pourrait s'affaiblir au fil du temps et que d'autres modèles pourraient mieux convenir. Ces autres mesures comprennent la lumière résiduelle de l'aube de l'Univers (le fond diffus cosmologique ou CMB), l'explosion d'étoiles (supernovæ) et la façon dont la lumière provenant de galaxies lointaines est déformée par la gravité (observations de lentilles gravitationnelles faibles).

« Jusqu’à présent, le modèle cosmologique actuel basé sur une simple constante cosmologique pour décrire l’énergie noire semblait suffire pour expliquer un vaste ensemble de données.” explique Pauline Zarrouk, cosmologiste au CNRS responsable de l’équipe DESI au Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Energies (LPNHE, CNRS / Sorbonne Université) et qui a co-dirigé l’analyse DESI publiée en novembre dernier.  “Or, ces nouveaux résultats avec plus de données mettent en évidence de plus en plus de craquelures du modèle, qui semblent être le signe d’une physique au-delà de la constante cosmologique, et le modèle d’énergie noire dynamique est une piste prometteuse ! »

La préférence pour une énergie noire qui évolue au cours du temps n'a pas encore atteint le seuil d'une découverte mais les nouveaux résultats de DESI, combinés aux données supplémentaires sur le fond diffus cosmologique, l'effet de lentille faible et différentes analyses de supernovæ, renforcent la préférence pour un modèle d’énergie noire dynamique.

Cette nouvelle analyse avec trois ans de données, tout comme la précédente, qui portait sur seulement un an de données, a utilisé une technique permettant de cacher les résultats aux scientifiques jusqu'à la fin, afin d'atténuer tout préjugé inconscient (ou “biais de confirmation”) concernant les données, et surtout, concernant les résultats obtenus.

« Les mesures sur lesquelles DESI s’appuie pour étudier l’Univers sont vraiment très précises », d’après Eric Armengaud, physicien à l’IRFU au CEA-Paris Saclay et co-directeur du groupe de travail Lyman-alpha, qui cartographie la partie la plus lointaine de l’Univers accessible par DESI. « Nous avons mesuré le lien entre la taille et l’âge de l’Univers tel qu’il était jusqu’à il y a environ 11 milliards d’années, avec une précision meilleure que le pourcent. Nous nous sommes d’abord assurés de la robustesse de nos mesures avec un grand nombre de tests, puis nous avons regardé leurs implications. Il semblerait donc que l'Univers nous dit qu'il est plus compliqué que nous le pensions ! »

À mesure que la collaboration accumule les données, la précision statistique des résultats se renforce. Mais il y a un revers à la médaille. Ces résultats deviennent de plus en plus vulnérables à des biais, de plus en plus infimes, liés aux mesures. On parle de biais systématiques. Pour que la robustesse des prédictions reste inattaquable, des équipes entières se consacrent donc à faire la chasse à ces biais systématiques. « Chaque année, nous nous efforçons de mieux comprendre nos données. Leur qualité exceptionnelle exige un travail acharné pour contrôler les biais systématiques et rester à la hauteur », explique Matthew Pieri, professeur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM). « C’est un réel défi que nous avons dû relever car la précision statistique de DESI s’améliore à mesure que nous accumulons plus de données. »

DESI est l'une des plus vastes études du cosmos jamais réalisées. Cet instrument de pointe peut capter simultanément la lumière de 5 000 galaxies. Il a été construit et est exploité grâce à un financement de l'Office of Science du DOE aux États-Unis, avec des contributions techniques françaises majeures. DESI est monté sur le télescope de 4 mètres Nicholas U. Mayall de la Fondation nationale des sciences des États-Unis (NSF) à l'Observatoire national de Kitt Peak (un programme de NSF NOIRLab) en Arizona. L'expérience en est à sa quatrième année sur cinq de relevé du ciel, et il est prévu de mesurer environ 50 millions de galaxies et de quasars (galaxies très lointaines avec un trou noir supermassif au centre) d'ici à la fin du projet.

La nouvelle analyse utilise les données des trois premières années d'observation et inclut près de 15 millions de galaxies et de quasars parmi les mieux mesurés. Il s'agit d'une avancée majeure, qui améliore la précision de l'expérience grâce à un ensemble de données plus de deux fois supérieur à celui utilisé dans la première analyse de DESI, qui laissait également entrevoir une évolution de l'énergie noire au cours du temps.

« Avec ces trois années d’observations, nous confirmons ce que nous avions entrevu lors des analyses précédentes avec un an de données, et les indices d’une évolution de l’énergie noire au cours du temps sont de plus en plus forts », déclare Etienne Burtin, physicien à l’IRFU au CEA Paris-Saclay et qui a co-dirigé le groupe de travail sur l’analyse des données de DESI jusqu’en 2024. « La collaboration travaille à l’exploitation maximale des données de DESI et d’autres instruments scrutent également l’Univers.  Des projets de télescopes futurs sont à l’étude pour percer les nombreux mystères de l’Univers. »

DESI mesure l'influence de l'énergie noire en étudiant la façon dont la matière est répartie dans l'Univers. Les événements survenus au tout début de l'Univers ont laissé de subtiles traces dans la distribution de la matière, une caractéristique appelée oscillations acoustiques baryoniques (BAO). Ce phénomène physique engendre un motif dans la position des galaxies qui agit comme une règle standard dont la taille à différentes époques est directement affectée par l'expansion de l'Univers. La mesure de la règle à différentes époques permet de reconstruire l’histoire de l’expansion de l’Univers et montre aux chercheurs l’impact de l'énergie noire au cours de l'histoire. La précision de DESI avec cette approche est la meilleure au monde.

« Les résultats de la première année de DESI ont été les plus cités dans notre domaine en 2024. Autant dire que ceux que nous publions aujourd'hui sont très attendus et qu’ils constitueront certainement un socle incontournable pour améliorer la compréhension de notre Univers », précise Christophe Yèche, physicien et responsable de l’équipe DESI à l’IRFU au CEA-Paris Saclay. « C’est l’aboutissement de plus d’une décennie de travail et d'investissements dans un instrument que nous avons contribué à faire fonctionner de la meilleure des façons. »

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Des vidéos présentant la nouvelle analyse de l'expérience sont disponibles sur la chaîne YouTube de DESI. En plus de dévoiler ses derniers résultats sur l'énergie noire lors de la réunion de l'APS aujourd'hui, la collaboration DESI a également annoncé que sa première version de données (DR1) est maintenant disponible pour tout le monde. Avec des informations sur des millions d'objets célestes, l'ensemble des données soutiendra un large éventail de recherches astrophysiques par la communauté scientifique, en plus des objectifs de la collaboration DESI en matière de cosmologie.