Première cartographie "3D" à grande échelle de l'Univers très lointain

Publié par Adrien le 11/07/2020 à 09:00
Source: CEA IRFU

Crédits: @SDSS & @CEAIrfu
Des scientifiques du grand relevé cosmologique SDSS/eBOSS ont construit la première carte dite "tomographique" de l'Univers lointain à très grande échelle, qui jusqu'à maintenant n'existait qu'à une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...), le long de la ligne de visée du télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille apparente des...) au sol. Pour ce faire, ils ont utilisé les dernières 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.) de forêt (Une forêt ou un massif forestier est une étendue boisée, relativement dense, constituée d'un ou plusieurs peuplements d'arbres et d'espèces associées. Un boisement de faible étendue est dit bois,...) Lyman-alpha, qui tracent de manière indirecte 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...) de 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, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) dans la direction d'objets brillants, les quasars. La carte obtenue couvre à un cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides...) de 3,26 milliards d'années-lumière de côté issues d'observations de près de 10000 quasars, et constitue un nouvel outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus...) pour étudier l'histoire de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) et ses structures. Ces travaux sont en cours de publication dans la revue JCAP (arXiv:2004.01448).

Cartographier la matière dans l'Univers

L'Univers est rempli de matière: de la matière "ordinaire" comme celle qui constitue les étoiles, mais aussi et surtout de la matière "noire" dont la nature constitue une des plus grandes énigmes de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien,...). Même aux très grandes échelles, bien plus grandes que la distance typique entre les galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au singulier.), la distribution de toute cette matière n'est pas homogène et les propriétés statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les...) des fluctuations contiennent de nombreuses informations sur notre Univers. On peut y lire l'empreinte de l'inflation, une période particulière de l'Univers primordial ; l'effet d'oscillations ayant eu lieu dans le plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne...) primordial avant que les électrons et les ions ne se recombinent pour former des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) ; l'impact de la 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 à la force de gravitation...) des neutrinos ; ou encore la signature de propriétés microscopiques de la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment...) comme sa masse ou ses interactions. Les propriétés des galaxies et du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...) intergalactique influent aussi sur ces fluctuations de matière.

Afin de cartographier la distribution de la matière 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....), plusieurs types d'observations astrophysiques sont disponibles. La mesure des positions ainsi que des formes des galaxies dans l'Univers permettent de mesurer la distribution de matière dans l'Univers relativement "proche", ou "récent" de manière équivalente. Mais pour cartographier l'Univers à grande échelle aux temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) les plus anciens possibles (il y a plus de 10 milliards d'années), l'approche actuellement la plus performante repose sur une 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 appropriés. Le plaisir procuré explique...) spécifique, la forêt Lyman-alpha.

Il s'agit de mesurer les spectres lumineux de galaxies lointaines particulièrement brillantes, en particulier des quasars. On y décèle l'effet de raies d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux...) - dites Lyman-alpha - dues à la présence de nuages de gaz d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) neutre situés entre un quasar (En astronomie, un quasar (pour source de rayonnement quasi-stellaire, quasi-stellar en anglais) est une source d'énergie électromagnétique, incluant la lumière. Les quasars visibles de la Terre montrent tous un décalage vers le rouge très...) et l'observateur terrestre. Grâce à l'effet de décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre – ce qui se...) bien connu en cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.), en mesurant la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme...) 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...) de chaque raie (Raie [ʀɛ] est un nom vernaculaire ambigu qui correspond en français à de nombreuses espèces de poissons regroupées dans...) d'absorption on reconstitue précisément la position du nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit,...) d'hydrogène correspondant le long de la ligne de visée. La forêt Lyman-alpha permet ainsi d'étudier la distribution de l'hydrogène à grande échelle dans l'Univers, et ce à des temps particulièrement anciens: entre environ 10 et 12 milliards d'années (ce qui correspond à des décalages vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) entre 2.1 et 4.) alors que l'âge de l'Univers est de 13,8 milliards d'années.


Les quasars (en haut à gauche) émettent une lumière intense qui est partiellement absorbée lorsqu'elle traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast...) le milieu intergalactique jusqu'à l'observateur (image centrale). Cela créé une "forêt" de raies d'absorption dans les spectres optiques de ces objets, comme illustré en bas à gauche. La densité de matière dans l'Univers est ainsi échantillonnée le long de lignes de visée "1D" représentées par des lignes droites dans l'image centrale.


Vue en coupe de la carte tomographique reconstruite à partir d'une fraction des données de forêt Lyman-alpha. L'axe horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou vice versa.) représente un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de vue sur le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) de 23 degrés, et l'axe vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) représente la "profondeur" (le redshift) des observations. Les lignes verticales indiquent les lignes de visées des quasars, représentés eux par des petites étoiles. Les cercles rouges indiquent les grands vides du milieu intergalactiques identifiés à partir de la carte.

Une grande carte tomographique du Lyman-alpha

Le groupe de cosmologie du DPhP est impliqué dans l'exploitation et l'interprétation scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) des dernières données (Data Release 16) de forêt Lyman-alpha obtenues grâce au Sloan Digital Sky Survey (SDSS) qui utilise le télescope de 2,5 m de l'Apache Point (Graphie) Observatory au Nouveau-Mexique (Etats-Unis): c'est le grand relevé astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la...) qui a fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles grecques...) à la communauté scientifique la majorité des spectres de quasars lointains observés. La forêt Lyman-alpha est par nature une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre...) unidimensionnelle ("à 1D") de la matière, car les points de mesure (les raies d'absorption) sont tous alignés le long de la direction des quasars.

Il est néanmoins possible d'utiliser des algorithmes tomographiques pour inférer la distribution 3D de la matière à partir des lignes de visée 1D. Il s'agit d'une approche similaire à la tomographie utilisée par exemple en imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir de différents phénomènes physiques (Résonance magnétique, réflexion d'ondes ultrasons,...). C'est l'élaboration et l'exploitation de la première reconstruction tomographique 3D du Lyman-alpha au sein de la collaboration SDSS qu'ont coordonnée les chercheurs du DPhP. Pour ce faire, l'équipe s'est concentrée sur une région du ciel appelée le "Stripe 82", pour laquelle la distribution sur le ciel des quasars utilisés pour la mesure des forets Lyman-alpha est particulièrement dense et homogène, un critère essentiel pour pouvoir réaliser une cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de...) de qualité.

Ces données couvrent un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de 220 deg2: cela constitue seulement une fraction de toute la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) du ciel couverte par SDSS, mais permet néanmoins de couvrir le plus grand volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'Univers jamais cartographié à une époque aussi lointaine (équivalant à un volume de 1 Gpc3 de l'univers aujourd'hui, soit un cube de 3,26 milliards d'années-lumière de côté !). Au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme....), les mesures de forêt Lyman-alpha issues d'observations de près de 10 000 quasars ont été exploitées. Une tomographie similaire exploitant le Lyman-alpha avait déjà été obtenue par une autre équipe mais couvrait un volume environ 100 fois plus petit.

La reconstruction tomographique proprement dite, à partir des donnés Lyman-alpha "1D", a été menée à l'aide d'une méthode dite de filtrage de Wiener. Le paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) le plus important de l'algorithme est une longueur de lissage, qui fixe la résolution spatiale de la carte à environ 13 Mpc: les fluctuations aux échelles plus petites que cette longueur ne peuvent être correctement reconstruites à cause des séparations importantes entre lignes de visée "1D". La construction de la carte a été validée à l'aide des outils de simulation et d'analyse de la collaboration eBOSS. Le cube de données est publiquement disponible et des visualisations 3D du volume cartographié ont été réalisées à l'Irfu/DEDIP, utilisant en particulier la plateforme de partage de Sketchfab

Des applications à venir

On peut donc exploiter la carte publiée pour plusieurs applications en cosmologie. Ainsi, grâce à la carte déjà publiée l'équipe a établi un premier catalogue de grands vides cosmiques détectés au-delà de 10 milliards d'années-lumière: les vides cosmiques sont des régions de l'espace intergalactique, situées entre les filaments qui constituent la "toile cosmique", pour lesquelles la densité de matière est particulièrement faible.

La technique de tomographie Lyman-alpha utilisé dans cette étude sera exploité pour le grand relevé DESI, en cours de démarrage et dans lequel l'Irfu est largement impliqué. D'une part, des améliorations sont possibles du point de vue des développements algorithmiques: des méthodes plus perfectionnées que le filtrage de Wiener ont déjà été développées, mais étudiées uniquement sur des simulations à ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.). D'autre part, des mesures cosmologiques sur le contenu en matière de l'Univers et la croissance des grandes structures sont accessibles, en utilisant les cartes 3D de matière pour déterminer les propriétés des vides ou calculer des corrélations avec d'autres objets astrophysiques...

Les développements autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de ce nouvel outil, et son exploitation scientifique, ne font que commencer !

Contact:
Eric Armengaud, Corentin Ravoux.

Publication:
A tomographic map of the large-scale matter distribution using the eBOSS - Stripe 82 Lyα forest, arXiv:2004.01448, publié sur JCAP: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2020/07/010

Cube de données publiques: https://zenodo.org/record/3737781#.XvC84y1PjSw

Visualisations 3D:
https://sketchfab.com/pomarede/collections/eboss-paper


Représentation 3D de la carte tomographique couvrant l'ensemble du Stripe 82. Les points représentent les quasars dont les observations ont servi à construire la carte. Les isocontours de densité de matière sont représentés en violet (Le violet est une couleur, composée d'un mélange de bleu (environ 50% de luminosité) et de rouge (environ 25% de luminosité) en synthèse additive, et...).
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