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Nouvelle scientifique

 

Le 2 septembre 2016

 

 

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

 

Une équipe internationale de scientifiques, dont deux chercheuses du Centre de physique des particules de Marseille (CPPM, CNRS/Aix-Marseille Université), a mis en évidence de nouvelles contraintes sur la relativité générale – la théorie de la gravitation d'Einstein – à l'aide des vides cosmiques. Les vides cosmiques sont des zones de l'Univers où la densité de matière est très faible, l'espace y est donc quasiment vide. S'appuyant sur les données du programme de relevés Sloan digital sky survey (SDSS-III), les chercheurs ont validé une nouvelle fois les prédictions de la théorie de la relativité générale. Leurs travaux1 ont été publiés dans la revue Physical Review Letters du 25 août 2016.

 

La matière dans l'univers est organisée dans l'espace en quatre types de structures : amas, murs, filaments, et vides cosmiques. 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 sombre.

 

Les vides cosmiques : composants majeurs du volume de l'univers encore peu exploités

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 sombre. Ces techniques s'appuient sur la vitesse apparente totale des galaxies qui s'échappent d'un vide cosmique "moyen". 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-Paczynski"). 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").

 

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) © 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 III, 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-lumière. Les autres indicateurs du champ de gravité en cosmologie s'appuient sur des échelles de l'ordre du milliard d'années-lumière (comme, par exemple, pour le fond diffus cosmologique) ou au contraire quelques milliers d'années-lumière (pour 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 ceux attendus d'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.

 

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 © N. Hamaus/Ludwig Maximilian University of Munich).

 

Notes

1Ces recherches ont bénéficié du soutien de l'Institut d'astrophysique de Paris (IAP), du Labex Institut Lagrange de Paris (Labex ILP : ANR-10-LABX-63) et du Labex "Origines, constituants et évolution de l'Univers" (Labex OCEVU : ANR-11-LABX-0060), de l' Agence nationale de la recherche (ANR-10-CEXC-004-01, ANR-11-JS56-003-01), de la National science foundation (NSF AST 09-08693) et de la fondation universitaire "Initiative d'excellence Aix-Marseille" (projet A*MIDEX : ANR-11-IDEX-0001-02).

 

Référence

N. Hamaus et al., "Constraints on Cosmology and Gravity from the Dynamics of Voids", Physical review letters 117, 091302, 25 août 2016.

 

Pour en savoir plus

 

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