La cosmologie est l’étude de l’univers dans son ensemble, de ses lois et de son contenu, en utilisant la distribution de la matière et de la lumière dans l’espace qui est alors considéré comme un gigantesque laboratoire. En particulier, les cosmologistes espèrent comprendre le contenu de l’univers, son commencement et comment les structures cosmiques telles que les galaxies se sont formées à partir des conditions initiales dans l’univers il y a des milliards d’années.
La cosmologie moderne s’appuie sur de nombreux ensembles de données de valeur, mais nous nous concentrons ici sur trois piliers de grande importance : le fond diffus cosmologique (CMB), les relevés à grande échelle de la distribution des galaxies, les mesures de distances avec les supernovae. Le fond diffus cosmologique correspond à la lumière (ou les photons) émise lorsque l’univers est devenu suffisamment froid pour être neutre, environ 380 000 ans après le Big Bang. L’univers avant cette période est opaque car les photons interagissent continuellement avec la matière, on dit que la matière et la lumière sont couplées. La température dans l’univers diminuant, les électrons et les protons (constituants élémentaires de la matière) forment les premiers atomes d’hydrogène neutre. Les photons se découplent de la matière et sont alors libres de se propager dans l’univers jusqu’à nous parvenir, nous permettant ainsi de remonter à une image des premiers instants de l’univers. Les relevés de galaxies, quant à eux, permettent de reconstruire la distribution des corrélations spatiales des galaxies en comptant le nombre de paires de galaxies séparées par une distance donnée. La distribution de ces corrélations nous renseigne sur la structuration de la matière pour sonder la phase intermédiaire de formation des structures dans l’univers.
Enfin, les supernovae qui correspondent à des explosions d’étoiles sont utilisées en tant que « chandelles standards ». L’énergie libérée par ces objets, ainsi que leur luminosité sont bien connues. L’étude de la lumière d’une supernova donnée permet donc de déterminer sa distance. En répétant l’opération avec un grand nombre de supernovae, nous sommes en mesure de cartographier l’univers à l’heure actuelle et ainsi d’en apprendre davantage sur la phase d’expansion accélérée de l’univers.
La combinaison de ces méthodes converge vers une représentation de l’univers âgé de presque 14 milliards d’années avec environ 5% de matière ordinaire (comme de l’hydrogène, de l’hélium, etc.), 27% de matière sombre qui s’agrège sous l’effet de la gravité mais qui n’interagit pas avec la lumière, et 68% d’énergie sombre, un constituant mystérieux qui a une densité d’énergie constante associée au vide de l’espace et une pression négative.
C’est le mystère autour de cette énergie sombre que le projet DESI tente de résoudre. La plupart des constituants connus exercent une pression positive : si vous compressez un ballon, la force exercée par celui-ci va s’opposer à la compression et vous repousser. Si vous compressez l’énergie sombre, elle se contractera d’autant, et inversement si vous voulez la dilater, elle va s’étendre d’autant plus. Elle peut donc être responsable de l’accélération de l’expansion de l’espace-temps lui même, une découverte que nous avons faite à partir de supernovae et que maintenant nous étudions aussi avec les relevés de galaxies. Malheureusement, l’énergie sombre n’est pas prédite par le modèle standard de la physique des particules et sa nature même demeure inconnue.
Les théoriciens ont proposé un large éventail d’explications possibles pour l’accélération cosmique, mais elles comportent toutes des défis ou des objections. L’explication la plus répandue est la constante cosmologique, idée qui remonte à Albert Einstein. Dans cette théorie l’espace est intrinsèquement rempli d’un niveau minuscule d’énergie du vide qui résulte d’une légère absence d’annulation de contributions de particules élémentaires en mécanique quantique. Mais nous ne comprenons pas pourquoi la valeur de la constante cosmologique est si faible et pourtant non-nulle, ni comment la calculer à partir des théories décrivant les particules élémentaires.
D’autres possibilités suggèrent l’existence de nouvelles forces dans la nature, de modifications dans la théorie de la gravité ou encore d’effets nouveaux liés à la gravité quantique. Nous ne savons pas. Mais certaines de ces théories prédisent des différences dans les observables cosmologiques que nous pouvons mesurer, et ce sont ces différences que DESI tentera de détecter.
