Depuis les années 30, les astronomes ont acquis la conviction que seule une faible fraction de la masse contenue dans l'Univers est constituée de matière visible. Le reste serait une matière encore inconnue, la "matière noire", qui n'absorberait, ni n'émettrait de la lumière, mais qui interagirait néanmoins avec la matière classique à travers les interactions gravitationnelles. Ainsi, les galaxies ne seraient que la partie visible d'un iceberg constitué de matière noire.
Comment faire pour observer cette matière invisible ? Les astronomes profitent l'effet de lentille gravitationnelle, prédit par la relativité générale d'Einstein. « Durant son voyage jusqu'à nous, la lumière émise par les galaxies distantes voit son trajet légèrement perturbé par l'influence de l'interaction gravitationnelle causée par la matière alentour, y compris bien sûr la matière noire. Cette perturbation déforme l'image des galaxies. Cette déformation peut être mesurée et utilisée pour reconstruire une carte des interactions gravitationnelles subies par la lumière sur son trajet, et donc de la matière située entre nous et la galaxie observée », explique Martin Kilbinger, chercheur à l'Institut d'astrophysique de Paris.
Cette étude repose sur les données collectées sur 446 000 galaxies observées dans le champ du relevé COSMOS. Il s'agit de la plus grande campagne d'observation jamais menée par les astronomes à l'aide du télescope Hubble. Ce relevé est constitué de l'assemblage de 575 prises de vues de la même zone du ciel, à l'aide de l'Advanced Camera for Survey (ACS), ce qui représente près de 1000 heures d'observation, soit 600 orbites du télescope. « Le nombre de galaxies observées est considérable, mais la quantité d'information de grande qualité que nous avons pu obtenir sur la partie invisible de l'Univers l'est encore plus », souligne Tim Schrabback qui a piloté ce travail.
En complément des données recueillies par Hubble, les chercheurs ont aussi utilisé des données acquises à l'aide de télescopes au sol afin de mesurer finement la distance de 194 000 des galaxies étudiées. Grâce à ces mesures et à de nombreuses innovations sur le traitement des données, les chercheurs ont mesuré la déformation due aux effets de lentilles gravitationnelles. Ils sont parvenus à reconstruire une carte tridimensionnelle de toute la matière (y compris la matière noire) contenue dans la portion du ciel observé par Hubble. « Sur cette carte, nous voyons la distribution de matière évoluer dans le temps », précise William High de l'université d'Harvard.
En effet, du fait de la vitesse finie de la lumière, les structures de la distribution de matière les plus lointaines sont aussi les plus anciennes, tandis que celles plus proches de nous correspondent à des structures plus contemporaines.
C'est donc en comparant les structures lointaines et proches que les chercheurs ont pu mesurer l'effet de l'expansion sur la structuration de la matière dans l'Univers, et apporter une nouvelle preuve de l'accélération de cette expansion. Cette accélération, observée ces dernières années, est pour la première fois confirmée en utilisant l'effet de lentille gravitationnelle seul. Les chercheurs démontrent ainsi la validité et l'intérêt de cette méthode de reconstruction tomographique.
De manière plus générale, ce travail a permis aux chercheurs de tester deux concepts d'Einstein : la relativité générale et la constante cosmologique, que lui-même nommait sa "plus grande bêtise". Les résultats sont en accord avec ces deux concepts. Ils montrent que l'effet de lentille gravitationnelle évolue en fonction de la distance des galaxies exactement comme le prédit la relativité générale, et que la constante cosmologique ou bien sa généralisation souvent nommée "énergie sombre" sont très probablement la cause de l'accélération de l'expansion de l'Univers. « Einstein avait finalement peut-être raison d'introduire cette constante dans ces équations », conclut Tim Schrabback.
