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Toute la lumière sur l’Univers sombre

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Toute la lumière sur l’Univers sombre

Cartographier l’invisible

Dans les modèles de la physique classique, l’univers observable (étoiles, galaxies) ne représente que 5% de son contenu en matière-énergie. Qu’en est-il des 95% restants, de cette matière et de cette énergie dites « noires » à la fois impalpables et indétectables ? Yannick Mellier, astrophysicien à l’institut d’astrophysique de Paris (CNRS/UPMC), est à la tête du programme européen Euclid. Plus d’un millier de chercheurs et d’ingénieurs sont mobilisés pour comprendre l’origine de l’accélération de l’expansion de l’Univers et pour déterminer la nature et la composition de cette matière et cette énergie qui décidément jouent les Arlésiennes. Où se cachent-t-elles, peut-on espérer les observer un jour ? Mais au fait, existent-t-elles vraiment ?

 

Vue d'artiste du satellite Euclid. Cette image est basée sur les dessins de conception assistée par ordinateur réalisés par Thales Alenia Space, Italy et Airbus Defence and Space, France. © ESA

 

L’Univers est loin d’être un long fleuve tranquille.

Yannick Mellier. L’exploration de l’organisation de l’Univers passe avant tout par l’observation et la connaissance des distances des objets qui nous entourent.La mesure des distances extragalactiques sert à déterminer les propriétés intrinsèques des objets constitutifs de l’Univers (nature, quantité, luminosité, masse, dimension, vitesse, distribution dans l’Univers), à en décrire l’organisation, à tester les modèles cosmologiques et à reconstruire l’histoire de l’Univers et de ses constituants.

 

L’énergie noire est-elle si obscure que ça ? Comment agit-elle sur la lumière ?

Y. M. La notion d’« énergie noire » est apparue en 1998 à la suite d’une découverte surprenante : alors que l’expansion de l’Univers prévue dans le cadre de la « théorie du Big Bang » est bien confirmée par l’observation des galaxies qui s’éloignent les unes des autres, cette expansion semble se faire de plus en plus rapidement avec le temps. Les scientifiques imaginaient plutôt une stabilité, voire un ralentissement de cette expansion, à cause de la gravitation.

 

Les masses de matière noire dispersées dans l’Univers fonctionnent comme des lentilles optiques qui provoquent des distorsions de la lumière. Les images des galaxies et des corps célestes s‘en trouvent déformées, transformant une source circulaire en une ellipse, voire en un minuscule croissant. C'est l'effet de « lentille gravitationnelle », découvert en 1985. L’évolution de ces déformations au cours de ces dix milliards d’années est à corréler avec la réorganisation de la matière au fil du temps.

 

En analysant les images de 200.000 galaxies, les chercheurs de l'IAP ont pu cartographier (dans une petite région de l'Univers) la répartition de la matière noire. Elle apparaît distribuée de façon filamentaire, à la manière d'une gigantesque toile dont les noeuds seraient les amas de galaxies.

 

Image spectaculaire des effets de déflexion de la lumière par le champ de gravitation de la matière noire concentrée dans un gigantesque amas de galaxies. Cette image a été obtenue avec le télescope spatial Hubble. Le champ de vision est tout petit, environ 1/10 de la surface apparente de la Pleine Lune. Le télescope Euclid aura un champ de vision 500 fois plus grand et pourra donc cartographier la totalité du ciel pour voir les effets de lentille gravitationnel sur l'ensemble du ciel et donc déduire comment la totalité de la matière noire est distribuée dans l'Univers. © NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), the ACS Science Team and ESA STScl-PRC03-01a

 

Le projet « Dune » (« DarkUNiverse Explorer »), ainsi baptisé en hommage à l’auteur de science-fiction Franck Herbert, avait pour objectif l’étude les composantes « sombres » de l'Univers à l’aide à un télescope spatial à grand champ. Avec Euclid, on va passer à l’échelle supérieure ?

Y. M. La question est savoir si l’accélération de l’expansion de l’Univers provient d’une composante nouvelle, l’énergie noire, ou bien de la manifestation d’effets gravitationnels non prévus par la théorie standard de la gravitation, la relativité générale.Le projet Euclid qui fait partie du Programme Cosmic Vision 2015-2025 de l'agence spatiale européenne (ESA) examinera la relation distance-décalage vers le rouge (redshift) ainsi que l'évolution des structures cosmiques.

 

La méthode du cisaillement gravitationnel (Weak Lensing, WL) consiste à mesurer la distorsion des images des galaxies provoquée par la présence de matière noire sur la ligne de visée. La méthode des oscillations acoustiques baryoniques (Baryonic Acoustic Oscillations, BAO) s’appuie quant à elle, sur une cartographie en trois dimensions des grandes structures visibles de l’Univers (galaxies, amas de galaxies).Dans les deux cas, la comparaison entre structures lointaines (anciennes) et proches (récentes) devrait renseigner sur les effets précis de l’énergie noire.

 

Il s’agit d’un pari technologique très poussé.

Y. M. Pour réaliser ces mesures, Euclid effectuera un relevé d’une grande partie du ciel avec deux instruments très précis, placés au foyer d’un télescope de 1,2 m de diamètre. Une caméra de 576 millions de pixels observant dans le domaine visible fournira les images d’environ deux milliards de galaxies avec une très haute résolution, équivalente à celle du télescope spatial Hubble. Un spectro-imageur opérant dans l’infrarouge produira une cartographie des grandes structures de l’Univers et mesurera la distance aux galaxies imagées par la caméra. Enfin, un ensemble de supercalculateurs et de logiciels spécifiques sera nécessaire pour traiter les données reçues du satellite (soit plusieurs millions de gigaoctets).

 

2015 a été décrétée « année internationale de la lumière ». Une belle coïncidence avec le démarrage officiel du programme.

Y. M. Les données scientifiques d’Euclid constitueront un catalogue unique de plusieurs milliards d’étoiles et galaxies distribuées sur l’ensemble du ciel situé de part et d’autre de la Voie Lactée. Ce « codex cosmologique » ouvrira notamment une fenêtre sur la formation des premières galaxies, il y a plus de 12 milliards d’années, et représentera une source unique et quasi-inépuisable d’informations pour la communauté astronomique mondiale pendant les prochaines décennies. Le compte à rebours a été lancé depuis longtemps. Rendez-vous en 2020 à l’astroport de Kourou en Guyane à bord d’une fusée russe Soyouz.

Pour en savoir plus :

Institut d’astrophysique de Paris (CNRS/UPMC)Nouvelle fenêtre

 

Les laboratoires participant avec le Centre national d’études spatiales au consortium Euclid sont les suivants :

  • Astrophysique instrumentation et modélisation (Université Paris Diderot/CEA-Irfu/CNRS)
  • Astroparticules et cosmologie (Université Paris Diderot/CNRS/CEA/Observatoire de Paris)
  • Centre de calcul de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (CNRS)
  • Centre de physique des particules de Marseille (Aix-Marseille Université/CNRS)
  • Institut d’astrophysique de Paris (UPMC/CNRS)
  • Institut d’astrophysique spatiale (Université Paris-Sud/CNRS)
  • Institut de physique nucléaire de Lyon (Université Claude Bernard Lyon 1/CNRS)
  • Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Université Toulouse 3-Paul Sabatier/CNRS)
  • Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (CEA/Saclay)
  • Institut national des sciences de l’Univers (CNRS)
  • Laboratoire d’astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université/CNRS)
  • Laboratoire Lagrange (Observatoire de la Côte d’Azur/CNRS/Université de Nice Sophia Antipolis)
  • Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (UPMC/Université Paris-Diderot/CNRS)



20/03/15