Dr Hee-Jong Seo
Les physiciens de l’Université de l’Ohio utilisent les données de 20 ans d’observations au sol du ciel nocturne du Sloan Digital Sky Survey pour répondre à une question de physique fondamentale : « Quelles sont les conditions initiales de l’univers ? »
Par initiale, ils font référence à la poussée de croissance primordiale de l’univers un billionième de seconde après le Big Bang.
Un groupe international de chercheurs a achevé l’année dernière une carte de 11 milliards d’années de temps cosmique depuis l’enfance de l’univers, mais maintenant les physiciens essaient de creuser encore plus près de sa naissance.
Mais avant de pouvoir commencer à peindre cette image initiale de l’univers en expansion en utilisant la lumière du passé, ils ont dû trouver comment nettoyer les données – comment éliminer les distorsions causées par la poussière interstellaire et la lumière des étoiles.
Les chercheurs de l’OHIO rendent compte de leur développement d’un nouvel outil basé sur des réseaux de neurones artificiels qui surpasse les méthodes traditionnelles de nettoyage des données dans plusieurs articles de revues à comité de lecture publiés en juin.
Et leur analyse à l’aide du nouvel outil est un pas en avant essentiel pour décrire avec précision cette expansion primordiale après le Big Bang.
Après le Bang, alors quoi ?
« La théorie du Big Bang, désormais familière, est à ce jour la meilleure théorie, et aussi la plus simple, qui décrit magnifiquement l’univers que nous observons. Mais la physique juste après le Big Bang est toujours dans le régime de la spéculation en raison du manque de données pouvant mesurer directement ce qui s’est passé à ce moment-là », explique le Dr Hee-Jong Seo, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’Université de l’Ohio..
En particulier, avant un billionième de seconde après le Bang, l’univers a subi ce qu’on appelle l’inflation cosmique, une phase d’expansion explosive et accélérée. Au cours de cette poussée de croissance cosmique, l’univers s’est agrandi de 100 billions de billions de fois (deux « billions » ici ne sont pas une faute de frappe).
« Les scientifiques sont confiants quant à cette poussée de croissance, car la distribution de la lumière et de la matière à travers l’univers observable aujourd’hui peut s’expliquer exclusivement par cet événement initial, mais nous sommes moins sûrs de ce qui a causé cela », a déclaré Seo.
Heureusement, il existe une fenêtre pour comprendre l’inflation cosmique. Par exemple, la distribution des galaxies, en particulier la distribution aux très grandes échelles, est une empreinte de la physique de cette inflation.
L’équipe de l’Université de l’Ohio et ses collègues internationaux ont utilisé les données du Sloan Digital Sky Survey pour brosser le portrait adolescent de l’univers, les 11 milliards d’années de temps cosmique entre l’enfance de l’univers et aujourd’hui.
Leur travail, avec les premiers articles publiés l’année dernière, comprend l’obtention de mesures détaillées de plus de 2 millions de galaxies rouges et bleues ainsi que des quasars brillants et la cartographie de l’histoire complète de l’expansion de l’univers, qui a commencé à accélérer il y a 6 milliards d’années – et continue mystérieusement à accélérer.
Maintenant, les physiciens se concentrent sur le trillionième de seconde après le Big Bang.
Couper à travers la poussière avec de nouveaux réseaux de neurones artificiels
Photo reproduite avec l’aimable autorisation du Center for Astrophysics : Harvard & Smithsonian. « Nous devons d’abord observer la distribution des galaxies à de si grandes échelles. L’échelle d’intérêt pertinente est si grande qu’il faudra environ 1 milliard d’années pour que la lumière voyage », a déclaré Seo. « Cela pourrait être réalisé avec l’enquête eBOSS, la plus grande enquête sur les galaxies à ce jour. »
Le Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), une collaboration internationale de plus de 100 astrophysiciens, est l’un des levés composant le SDSS.
« Mais l’un des principaux obstacles à cette étude est que diverses réalités observationnelles contaminent nos données. Par exemple, nos étoiles et poussières de la Voie lactée confondent et déforment fortement cette image. La sensibilité du signal à ces effets systématiques et leur complexité étaient suffisamment dramatiques pour exiger une nouvelle technique basée sur des réseaux de neurones artificiels pour atténuer ces effets », a déclaré Mehdi Razaie, un étudiant diplômé travaillant avec Seo. Razaie a récemment soutenu son doctorat. avec succès à l’OHIO et est l’auteur principal de l’un des articles de revue faisant état de leurs conclusions.
« Mehdi a développé un nouvel algorithme basé sur l’apprentissage en profondeur pour éliminer cette contamination, qui surpasse les méthodes traditionnelles », a déclaré Seo. « Avec une équipe internationale, Mehdi et Eva Mueller (Université d’Oxford) ont mené la meilleure mesure de cette condition primordiale cosmique à partir d’études de galaxies. »
Razaie a déclaré que l’analyse des données eBOSS à l’aide de l’approche du réseau de neurones donne des contraintes cohérentes avec celles des données de fond micro-ondes cosmiques (observant la distribution de la lumière relique à travers l’univers) prises avec le satellite Planck, qui fournit actuellement une contrainte plus précise que l’eBOSS résultat de l’équipe – mais la nouvelle analyse montre aux physiciens que les études de galaxies peuvent fournir une autre fenêtre propre pour regarder le moment initial de l’univers.
Ouvrir la voie à DESI et à plus de données
« Alors, qu’avons-nous trouvé ? En bref, nous ne pouvons pas encore identifier la raison de l’inflation cosmique avec les données actuelles. Mais nous excluons un large éventail de scénarios erronés étape par étape avec chacune de ces mesures », a déclaré Rezaie. « Jusqu’à présent, le résultat de ces données ne révèle aucun signe de scénarios d’inflation exotiques. Ils sont d’accord avec le scénario le plus simple parmi les modèles auxquels les physiciens ont pensé, mais les données actuelles ne peuvent pas encore exclure d’autres possibilités. Nous avons besoin de plus de données.
Avec le torrent d’informations provenant des prochains relevés de galaxies à grande échelle tels que l’instrument spectroscopique d’énergie noire (DESI) et les futures données de fond micro-ondes cosmiques de haute fidélité, les astrophysiciens espèrent disposer de suffisamment de données pour enfin faire la distinction entre divers modèles inflationnistes.
La méthodologie développée par le groupe Seo ouvre la voie pour exploiter pleinement les informations cachées dans les ensembles de données tels que DESI.
« Finalement, nous pourrons affiner les scénarios possibles jusqu’à ce que nous puissions décrire avec précision cette poussée de croissance primordiale. Notre résultat dans ce sens a constitué une étape critique vers une telle découverte », a déclaré Seo.
L’ensemble des articles de l’équipe comprend un article de Grant Merz, qui était un étudiant de premier cycle au Honors Tutorial College de l’Ohio University, obtenant un B.S. en astrophysique en 2020. Merz a également obtenu une maîtrise en physique au Collège des arts et des sciences en 2021 et passe maintenant à un doctorat. programme à l’Université de l’Illinois, Urbana-Champaign.
En collaboration avec Rezaie, Grant a appliqué la nouvelle méthode de Rezaie pour inspecter une période plus récente de l’expansion de l’univers à travers cette fenêtre «propre».
Rezaie est l’auteur principal de « Primordial non-gaussianity from the complete SDSS-IV Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey I : Catalog preparation andsymmetric mitigation », accepté et sous presse par Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Rezaie est le deuxième auteur, avec Mueller comme auteur principal, sur « The clustering of galaxies in the complete SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey : Primordial non-Gaussianity in Fourier Space », qui a été soumis aux avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Et Merz est l’auteur principal de « The clustering of galaxies in the complete SDSS-IV Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey : Primordial non-Gaussianity in Fourier Space », qui est en cours d’examen par les avis mensuels de la Royal Astronomical Society.