C’est en septembre 2014 que l’annonce de la découverte de Paradis (« paradis incommensurable » ou « horizon céleste immense », en hawaïen), un superamas de galaxies englobant le superamas de la Vierge dont fait partie la Voie lactée, a été faite. Cette découverte a été réalisée par une équipe internationale d’astronomes composée de R. Brent Tully, de l’université d’Hawaï à Mānoa, d’Hélène Courtois, de l’université de Lyon I, de Yehuda Hoffman, de l’université hébraïque de Jérusalem, et de Daniel Pomarède du CEA.
Richard Brent Tully s’était déjà fait un nom en découvrant conjointement avec J. Richard Fisher une relation permettant de déterminer la distance d’une galaxie spirale, une méthode empirique universellement connue aujourd’hui sous le nom de « loi de Tully-Fisher ». Le chercheur états-unien publie aujourd’hui un nouvel article dans le journal d’astrophysique avec Daniel Pomarède et leur collègue australien Cullan Howlett. Les trois hommes annoncent ainsi neuf ans plus tard la découverte de Ho’oleilana, un terme provenant du chant hawaïen de la création, le Kumulipo, qui évoque l’origine du monde. Il s’agit d’une des grandes structures de l’Univers observable rassemblant des amoureux des galaxies. En l’occurrence, une sorte de coquille sphérique d’environ un milliard d’années-lumière de diamètre où se trouve une plus grande densité d’amas de galaxies avec au centre le superamas du Bouvier à une distance de 820 millions d’années-lumière de la Voie lactée.
C’est la première fois que l’on met en évidence directement une sphère de ce genre en mesurant des distances et des vitesses de galaxies pour cartographier le cosmos observable. C’est toutefois un exemple de structure déjà découverte indirectement en faisant des analyses savantes de ce que l’on appelle des corrélations statistiques dans des échantillonnages des populations de galaxies et d’amas de galaxies. Ces structures sphériques sont des manifestations de ce qui a été appelé des ondes acoustiques baryoniques ou BAO (Oscillations acoustiques baryoniques).
Comme l’explique Daniel Pomarède sur Twitter, ces bulles de galaxies avaient été prédites il y a presque 50 ans par le prix Nobel de physique James Peebles. Mais, en fait, elles avaient déjà été pressenties dans le cadre de ce qui avait été appelé la théorie du Big Bang froid par Andrei Sakharov dès le milieu des années 1960, quelques années avant Peebles. On ne fait aujourd’hui plus que référence aux travaux du prix Nobel avec un de ses collègues car ils concernaient la théorie du Big Bang chaud, un acquis définitif du modèle standard de la cosmologie, ce qui n’est peut-être pas le cas de la matière noire ni de l’énergie noire.
Les BAO sont précisément un des phénomènes que les cosmologistes utilisent depuis des années pour mesurer les paramètres du modèle standard de la cosmologie comme la constante de Hubble-Lemaître, la courbure de l’Univers ou bien l’énergie noire. On peut considérer que Ho’oleilana est une sorte de fossile du Big Bang, bien qu’il soit en quelque sorte né environ 380 000 ans après lui, au moment où le rayonnement fossile a été émis.
Arrivé à ce point, le lecteur se demande certainement depuis un moment déjà ce que sont ces BAO, ces oscillations acoustiques baryoniques comme on les appelle parfois aussi.
Pendant le Big Bang, selon le modèle standard, des fluctuations quantiques de densité de matière sont produites qui font s’effondrer rapidement des concentrations de matière noire. Ces concentrations attirent la matière baryonique normale formée de protons et de neutrons mais contrairement à la matière noire, ces baryons sont sensibles à la force électromagnétique de sorte que le gaz de photons baignant toute la matière s’oppose par sa pression à la matière baryonique. Il se produit alors des ondes acoustiques sphériques qui se propagent, un peu comme le feraient les ondes autour des points d’impact de gouttes de pluie dans une mare et comme le montre cette animation. Ces ondes se superposent mais quand les atomes se forment au moment de la recombinaison, la pression de radiation n’existe plus et des bulles de matière se figent. Enfin presque, car l’expansion de l’espace va ensuite les dilater.
Les BAO, des ondes sonores à la moitié de la vitesse de la lumière
Après le début de l’Univers observable et au moins depuis la période de la nucléosynthèse primordiale, quelques minutes après le mythique Temps de Planck, l’Univers est un mélange de baryons couplés aux photons baignant déjà dans la matière noire.
Les fluctuations de densité de la matière noire génèrent alors des ondes sonores sphériques s’éloignant à presque la moitié de la vitesse de la lumière des zones de surdensité de la matière noire. Au moment de la recombinaison, lorsque les premiers atomes neutres apparaissent 380 000 ans après le Big Bang, la lumière se découple de la matière baryonique et le front de ces ondes sonores poussé par le flux de photons se fige temporairement.
Il en résulte que des zones de surdensité de matière normale formant des coquilles (dont le diamètre est fixé par la vitesse des ondes sonores produites par les oscillations acoustiques) se forment dans le cosmos observable. Ces zones vont être des lieux privilégiés de formation de galaxies et de leur accumulation sous forme d’amas. Plus tard, la présence de plus en plus dominante de l’énergie noire va influer sur le taux de croissance des amas de galaxies.
Surtout, si l’on considère un grand échantillon de galaxies sur la surface d’une sphère centrée sur l’observateur terrestre (donc à une même époque de l’histoire du cosmos et à une même distance de nous pour chaque galaxie) et que l’on en mesure les distances entre deux paires, il apparaîtra un excès de ces paires pour une valeur de distance liée à celle des coquilles de matière dont on a précédemment parlé, comme le montre la vidéo ci-dessus
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