Evidence for a sign change of the ISW effect in the very recent universe? hot voids and cold overdensities at $z<0.03$

Résumé technique : Preuves d'un changement de signe de l'effet ISW dans l'Univers très récent

Énoncé du problème
Des études antérieures (Luparello et al. 2023 ; Hansen et al. 2023 ; Garcia Lambas et al. 2024) ont établi un refroidissement significatif des photons du fond diffus cosmologique (CMB) traversant des halos galactiques situés dans des filaments massifs proches ($z < 0,04$), avec des températures environ $27\,\mu\text{K}$ inférieures à celles attendues dans les simulations standard $\Lambda$CDM. Ce refroidissement dépasse l'amplitude prédite de l'effet Rees-Sciama (RS) d'un ordre de grandeur et contredit l'effet Integrated Sachs-Wolfe (ISW) standard, qui prédit un réchauffement dans les surdensités et un refroidissement dans les sous-densités à ces décalages vers le rouge. Compte tenu des récentes indications d'une énergie noire dynamique provenant de l'instrument spectroscopique de l'énergie noire (DESI), les auteurs examinent si une évolution non standard des potentiels gravitationnels dans l'Univers très récent ($z \lesssim 0,1$) pourrait provoquer un renversement de signe de l'effet ISW. Plus précisément, si les potentiels gravitationnels croissent au lieu de décroître, les photons du CMB traversant des vides locaux (sous-densités) devraient subir un réchauffement plutôt qu'un refroidissement.

Méthodologie
L'étude utilise des cartes d'intensité du CMB provenant du satellite Planck (Public Release 3 et 4) et des données WMAP, ainsi que des catalogues de galaxies issus du relevé de décalage vers le rouge 2MASS (2MRS) pour identifier les vides.

• Identification des vides : Deux algorithmes indépendants de détection de vides, Sparkling et Revolver, ont été appliqués au catalogue 2MRS dans la plage de décalage vers le rouge $z < 0,03$. Pour tenir compte des incertitudes algorithmiques et stochastiques, les auteurs ont généré 200 réalisations de cartes de vides (combinant des échantillons de galaxies limités en volume et complets) et ont construit des « cartes de poids des vides ». Ces cartes attribuent un poids à chaque pixel en fonction de la fréquence à laquelle il est identifié comme faisant partie d'un vide à travers différentes réalisations.
• Mesure de la température : La température moyenne du CMB au sein de ces vides a été calculée en utilisant une moyenne pondérée sur les cartes de poids des vides. Pour isoler le signal du bruit et des fluctuations à grande échelle, les auteurs ont appliqué des ondelettes mexicaines sphériques (SMHW) avec une échelle de $4^\circ$, correspondant à la taille angulaire médiane des vides ($\sim 10^\circ$).
• Contrôle et cohérence :
  • Suppression du quadrupôle : Pour éviter les anticorrélations artificielles entre les régions galactiques froides et les régions de vides chaudes causées par les modes du CMB à grande échelle, le quadrupôle a été supprimé des données et des simulations.
  • Simulations : Les résultats ont été comparés à 10 000 cartes CMB simulées SMICA et à 1 000 simulations pour d'autres méthodes de séparation de composantes (SEVEM, NILC, Commander).
  • Catalogues fictifs : 100 catalogues de galaxies fictifs ont été générés à partir de la simulation Multi-Dark Planck 2 (MDPL2) pour tester la robustesse de l'identification des vides et de la mesure de température face aux fluctuations aléatoires du champ de densité.
  • Indépendance fréquentielle : Des tests ont été effectués en utilisant différentes chaînes de fréquences de Planck (100 GHz, 217 GHz) et la bande Q de WMAP (41 GHz) pour garantir que le signal est achromatique.

Résultats clés

1. Excès de température significatif : Les auteurs ont trouvé un excès de température positif significatif dans la direction des vides locaux. Selon l'échantillon de vides (tous les vides ouverts, taille médiane ou plus grand quartile) et la fraction du rayon du vide utilisée, la signification varie de $2,0\sigma$ à $3,5\sigma$ au-dessus de la moyenne des simulations.
2. Dépendance à la ligne de visée : Le signal est plus fort pour les vides présentant une région sous-dense étendue le long de la ligne de visée ($\Delta_{LOS} < 0$). Pour ces vides spécifiques, la signification augmente à $3,7\sigma$–$4,0\sigma$. Cela s'aligne avec l'hypothèse selon laquelle un trajet plus long à travers un puits de potentiel sous-dense renforce l'effet.
3. Échelle de taille : L'excès de température augmente avec la taille du vide, atteignant $3,5\sigma$ pour les plus grands vides (plus grand quartile). Cette échelle est cohérente avec un mécanisme de type ISW/RS où les structures plus grandes produisent des signaux plus forts.
4. Différence de température : En comparant la température moyenne dans les parties centrales des plus grands vides ($\sim +30\text{--}40\,\mu\text{K}$) avec le refroidissement précédemment mesuré autour des halos galactiques ($\sim -27\,\mu\text{K}$), la différence observée est d'environ $69\,\mu\text{K}$. Cette différence est $6,5\sigma$ supérieure à la différence maximale trouvée dans 10 000 simulations.
5. Robustesse : Les résultats restent cohérents à travers différentes méthodes de séparation de composantes (SMICA, SEVEM, NILC, Commander), différentes versions de données (PR3, PR4) et différentes bandes de fréquences. Le signal persiste lors de la division du ciel en hémisphères ou de l'analyse de plages de décalage vers le rouge subordonnées.
6. Vérification d'anticorrélation : L'étude confirme que la suppression du quadrupôle élimine la forte anticorrélation entre les températures des galaxies et des vides observée dans les simulations, garantissant que les vides chauds observés ne sont pas simplement une compensation statistique pour les régions galactiques froides.

Signification et revendications
L'article prétend fournir des preuves d'un effet ISW négatif dans l'Univers très récent ($z < 0,03$). Le phénomène observé — vides chauds et surdensités froides — représente un changement de signe par rapport à la prédiction standard $\Lambda$CDM, où l'énergie noire provoque la décroissance des potentiels, conduisant à un réchauffement dans les surdensités et un refroidissement dans les vides.

Les auteurs soutiennent que l'amplitude de l'effet observé (d'un ordre de grandeur supérieure aux effets RS/ISW prédits) et son renversement de signe suggèrent un processus physique inconnu. Ils spéculent que cela pourrait être lié à une énergie noire dynamique ou à des modèles non standard où les potentiels gravitationnels croissent au lieu de décroître à faible décalage vers le rouge. Les résultats sont cohérents avec les récents résultats de DESI indiquant une énergie noire dynamique et avec des théories impliquant des axions ultra-légers ou une gravité galiléenne qui prédisent de tels changements de signe.

Les auteurs restent prudents, notant qu'une corrélation croisée détaillée avec le champ de densité non linéaire est nécessaire pour une comparaison théorique précise, ce qui est reporté à un travail futur. Cependant, la cohérence du signal à travers plusieurs algorithmes, bandes de fréquences, et la dépendance spécifique à la taille du vide et à la géométrie de la ligne de visée soutiennent fortement l'hypothèse d'un effet ISW anormal dans l'Univers local.