Les grands relevés de galaxies conservent le souvenir des neutrinos primordiaux

Une collaboration internationale à laquelle participe l'Irfu est parvenue à extraire une information sur les neutrinos produits par le Big Bang en analysant des grandes structures de l'Univers.

Près de 10^-32 seconde après le Big Bang, l'Univers connaît une phase d'expansion prodigieuse (inflation). Cet événement mystérieux perturbe la matière - un plasma dense et opaque - en donnant naissance à des ondes de pression, analogues au son.

Ces ondes parviennent à se propager dans ce fluide de protons, neutrons, électrons, photons et neutrinos, pendant 380.000 ans... jusqu'à ce que jaillisse la lumière. L'Univers s'est alors assez "dilaté" et refroidi pour que les électrons et les protons puissent former des atomes d'hydrogène et libèrent les premiers photons que nous pouvons observer aujourd'hui ("fond diffus cosmologique"). Les ondes de pression primordiales cessent de se propager dans ce nouvel environnement et la structure périodique de densité de matière associée à ces ondes se fige, en donnant naissance aux grandes structures de l'Univers.

Or le modèle standard de la cosmologie prévoit que ces grandes structures conservent l'empreinte des neutrinos primordiaux. Plus précisément, il existe une relation entre la distribution spatiale de la matière à grande échelle et le nombre de variété de neutrinos. Ceci peut être relié au fait que les neutrinos primordiaux se déplacent à la vitesse de la lumière dans le fluide de protons, de neutrons et de photons, qui porte des ondes acoustiques se propageant plus lentement (c/√3).

Pour débusquer ces informations sur les neutrinos, la collaboration Sloan Digital Sky Survey exploite un catalogue de 1,2 million de galaxies éloignées de nous de 2,7 à 10 milliards d'années-lumière et établit, pour différents âges de l'Univers, la distribution spatiale de la matière à grande échelle. Elle met en évidence une structure périodique, "relique" des ondes acoustiques primordiales, conformément aux prévisions théoriques.

Les chercheurs "incorporent" ensuite à leurs données celles issues du fond diffus cosmologique, observé en microondes par le satellite Planck notamment. De cette manière, ils mettent en évidence pour la première fois l'impact des neutrinos sur la propagation des ondes acoustiques, excluant un univers primordial sans neutrino. Ils réalisent ainsi une détection indirecte du fond diffus de neutrinos cosmiques produits par le Big Bang.

Avec davantage de données observationnelles, grâce notamment à Desi (Dark Energy Spectroscopic Instrument) ou Euclid, il deviendra possible de déterminer plus précisément le nombre de familles de neutrinos.

Références

First Measurement of neutrinos in the BAO Spectrum, arxiv

First Constraint on the Neutrino-Induced Phase Shift in the Spectrum of Baryon Acoustic Oscillations, Nature Physics