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Posté par Adrien le Lundi 23/01/2017 à 00:00
La toile cosmique dans l'Univers distant dévoilée pour la première fois par le sondage VIPERS
Le plus grand projet jamais réalisé par les télescopes de l'Observatoire Austral Européen (ESO) pour cartographier l'Univers en trois dimensions vient de se terminer avec la mesure précise de la position de plus de 90 000 galaxies lointaines [1]. La mise à disposition publique des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) du sondage ( Un sondage peut désigner une technique d'exploration locale d'un milieu particulier. Un sondage peut également être une méthode statistique d'analyse...) spectroscopique VIMOS Public Extragalactic Redshift Survey (VIPERS) le 18 novembre a été l'occasion de la sortie d'une série de résultats de premier plan, qui mettent en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) l'importance de la structure à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le...) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) pour comprendre la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) et la formation des galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par...). Ces travaux ont été menés par une équipe internationale dans laquelle des chercheurs français du Laboratoire d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la...) de Marseille, du Centre de Physique Théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) de Marseille et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) d'Astrophysique de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien,...) sont fortement impliqués.


Distribution spatiale des galaxies dans les deux champs explorés par le relevé VIPERS, les champs W1 et W4 du Canada-France-Hawaii-Telescope Legacy Survey (1). Crédits: LAM

Le sondage spectroscopique VIPERS a été mené pendant 8 ans à partir du spectrographe VIMOS au Very Large Telescope de l'ESO. Le but de ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) a été de collecter des spectres de galaxies lointaines sur deux grands volumes de l'Univers tel qu'il était entre 5 et 9 milliards d'années après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que...). L'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de galaxies obtenu a révélé de manière très détaillée, et pour la première fois à ces époques lointaines, comment les galaxies étaient distribuées à grande échelle, révélant une toile cosmique gigantesque, constituée de vides, filaments et nœuds. Cette toile contient l'essentiel du contenu en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) de l'Univers.

Entre les observations de l'Univers primordial obtenues par le satellite Planck (Planck est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit être lancé en septembre 2008.) de l'Agence Spatiale Européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le 31 mai 1975. Elle est...) (ESA) et la cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support...) détaillée de l'Univers local par le sondage Sloan Digital Sky Survey, les données de VIPERS fournissent un instantané de l'état d'évolution des structures de l'Univers telles qu'elles étaient il y a environ 7 milliards d'années. Elles permettent aux chercheurs de contraindre le processus global de croissance des structures aux grandes échelles ainsi que les processus complexes d'évolution du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...), capturé dans ces structures filamentaires, et qui représente le réservoir indispensable aux galaxies pour soutenir la formation d'étoiles en leur sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en...). Plusieurs années d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) et de traitement des données spectroscopiques de précision ont été nécessaires pour produire le grand catalogue mis à disposition de la communauté, avec une contribution importante de Sylvain de la Torre, Vincent Le Brun, Olivier Le Fèvre et Lidia Tasca, chercheurs au Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM).

L'apport fondamental de VIPERS, comparé aux sondages précédents, est la combinaison (Une combinaison peut être :) de la qualité des spectres mesurés des galaxies, la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) de données photométriques annexes et la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) sans précédent de galaxies à ces distances, permettant de dépeindre avec une grande précision statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique...) l'évolution des propriétés des galaxies sur les derniers 10 milliards d'années. Pour la première fois à des époques aussi reculées de l'histoire de l'Univers, l'équipe VIPERS a pu reconstruire la structure filamentaire à grande échelle de la toile cosmique. Cette analyse, dirigée par Nicola Malavasi et Stéphane Arnouts, du LAM, en collaboration avec l'équipe de Christophe Pichon, de l'institut d'Astrophysique de Paris dans le cadre de l'ANR Spine, a permis d'analyser les propriétés physiques des galaxies (leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.) et activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) de formation d'étoiles) en fonction de leurs distances aux filaments. Ils ont ainsi pu montrer l'influence des structures à grande échelle sur les propriétés physiques des galaxies. En particulier, les galaxies les plus massives préfèrent le cœur des filaments où elles semblent subir de multiples fusions avec d'autres galaxies lors de leur migration vers les nœuds de la toile cosmique. Les galaxies moins massives quant à elles, restent en périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet...) des filaments où elles continuent d'accumuler du gaz, essentiel pour maintenir leur activité de formation d'étoiles. Ce résultat donne une nouvelle perspective pour appréhender les processus de formation et d'évolution des galaxies, en utilisant la toile cosmique comme cadre naturel pour de telles investigations.

De plus, VIPERS permet de "voir" directement la croissance des structures à l'œuvre. La dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des galaxies aux grandes échelles a des implications importantes sur notre compréhension du modèle cosmologique et des lois fondamentales de laphysique. Le mouvement cohérent des galaxies à grande échelle se superposant à l'expansion de l'Univers est une conséquence de la croissance des structures et ainsi permet de tester la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) aux échelles cosmologiques.

Les scientifiques se posent en fait une question essentielle pour notre compréhension de l'histoire de l'Univers: si les lois de la gravitation telles qu'elles sont décrites par la Relativité Générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels...) d'Einstein sont différentes aux échelles cosmologiques de l'Univers et sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...), l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui...) récente de l'expansion de l'Univers observée ne pourrait-elle pas s'expliquer sans avoir à invoquer la présence de la mystérieuse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) noire ?

VIPERS a réussi à mesurer ces vitesses en observant les déformations qu'elles introduisent le long de la ligne de visée sur la distribution des galaxies formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute...) la toile cosmique. Les mesures réalisées sont en accord avec les prédictions de la Relativité Générale même si elles ne sont pas encore assez précises pour identifier de possibles déviations à ce modèle. Cette analyse, dirigée par Sylvain de la Torre et Eric Jullo du LAM, est pionnière dans l'utilisation de plusieurs sondes cosmologiques en combinant à la fois l'information des vitesses radiales et celle de la déformation faible de l'image des galaxies induite par l'effet de lentille gravitationnelle (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.) [2]. Cette stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) est cruciale pour les futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) sondages spectroscopiques cosmologiques, en particulier pour la mission Euclid de l'ESA qui sera lancée en 2020 et qui permettra de reproduire ces mesures mais avec une précision encore plus grande.

Plus d'informations

Ces analyses ont été rendues possibles grâce à la connaissance de la distribution tridimensionnelle des galaxies, mais aussi par une analyse extrêmement précise des images haute résolution du sondage CFHTLS fournissant des informations essentielles sur leur morphologie [4]. Un autre pilier (Un pilier est un organe architectural sur lequel se concentrent de façon ponctuelle les charges de la superstructure (par exemple les charges d'une...) de ces travaux est l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se...) acquise sur une large palette de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) par l'équipe du LAM, conduite par le doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée...) Thibaud Moutard et Stéphane Arnouts, notamment en ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.) avec le satellite (Satellite peut faire référence à :) GALEX et dans l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) proche avec la camera WIRCam installée au CFHT. Ces données analysées au sein du sondage VIPERS-MLS [5] ont permis de connaître avec précision les propriétés des galaxies comme leur masse stellaire et leur taux de formation d'étoiles.

Note(s):
(1) Illustration "Distribution spatiale des galaxies dans les deux champs explorés au cours du sondage VIPERS": quand l'Univers avait entre 5 et 9 milliards d'années. Les galaxies sont indiquées par des cercles de taille variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une...) proportionnellement à leur luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) et les couleurs reproduisent la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) intrinsèque observée des galaxies. Les galaxies rouges et oranges sont typiquement des galaxies de forme elliptique, dominées par des populations d'étoiles vieilles, et les bleues et vertes correspondent à des galaxies constituées d'étoiles jeunes, typiquement de forme spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en éloigne de plus en plus, en même temps qu'elle tourne autour.) ou irrégulière. Le détail de la distribution des galaxies dans les données VIPERS montre clairement comment déjà à cette époque, les galaxies rouges occupaient préférentiellement les zones denses de la toile cosmique: les filaments et les intersections de filaments, et comment les propriétés des galaxies varient en fonction de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...) dans lequel elles vivent.

Source(s):
Reférences:
[1] Scodeggio, M., & VIPERS Team, arXiv: 1611.07048
[2] de la Torre S., & VIPERS Team, arXiv: 1612.05647
[3] Malavasi, N., & VIPERS Team, arXiv: 1611.07045
[4] Krywult, J., & VIPERS Team, arXiv: 1605.05502
[5] Moutard, T. et al., 2016A&A...590A.102M


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Source: CNRS-INSU