Un télescope pour comprendre la matière et l'énergie noires

Publié par Adrien le 14/05/2024 à 06:00
Source: The Conversation sous licence Creative Commons
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Par Henk Hoekstra (Professor in observational cosmology, Leiden University)

Le 1er juillet 2023, Euclid, un télescope spatial européen unique en son genre, a été lancé depuis Cap Canaveral, aux États-Unis. Après un lancement parfait, Euclid est rapidement arrivé sur l'orbite prévue, à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre. De ce point d'observation lointain, il a commencé à renvoyer des images pleines de détails qui couvriront près d'un tiers du ciel d'ici la fin de la décennie.


Une image d'Euclide scrutant l'univers.
ESA/Euclid Consortium/NASA, traitement de l'image par J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi

Euclide est la prochaine grande étape dans notre quête de compréhension de l'Univers. Au cours du siècle dernier, nous avons fait d'énormes progrès. Nous avons appris que la fusion de l'hydrogène en hélium alimente des étoiles comme notre Soleil, tandis que la plupart des atomes de notre corps ont été forgés au coeur des étoiles qui ont depuis explosé.

Nous avons découvert que notre galaxie est l'une des nombreuses galaxies qui dessinent d'énormes structures ressemblant à de la mousse et qui remplissent le cosmos. Nous savons maintenant que l'Univers a commencé il y a environ 13,6 milliards d'années par un Big Bang et qu'il n'a cessé de s'étendre depuis.

Sonder la boîte noire de l'univers

Il s'agit là de réalisations majeures, mais au fur et à mesure que nous en apprenions davantage, il est apparu clairement que beaucoup de choses nous échappaient. Par exemple, la majeure partie de la masse serait de la "matière noire", une nouvelle forme de matière qui n'est pas expliquée par le modèle standard de la physique des particules, pourtant très performant.

L'attraction gravitationnelle de toute cette matière devrait ralentir l'expansion de l'Univers, mais il y a environ 25 ans, nous avons découvert qu'en réalité, elle s'accélère. Cela implique qu'il existe une composante de l'Univers encore plus mystérieuse. Pour refléter notre ignorance - à ce jour, il n'existe aucune explication physique valable à ce phénomène - nous l'appelons "énergie noire". Ensemble, la matière et l'énergie noires constituent 95 % de l'Univers, mais nous ne comprenons pas leur nature.


Henk Hoekstra, heureux d'assister au lancement d'Euclid, le 1ᵉʳ juillet 2023 à Cap Canaveral, en Floride.
Fourni par l'auteur

Ce que nous savons, c'est que les deux composantes de la matière noire influencent la façon dont les grandes structures peuvent se former. La gravité de la matière noire contribue à rassembler la matière pour former des galaxies ou même des objets plus grands. À l'inverse, l'énergie noire pousse les objets à s'écarter les uns des autres, s'opposant ainsi à l'attraction gravitationnelle.

L'équilibre entre les deux évolue au fur et à mesure de l'expansion de l'univers, l'énergie noire devenant de plus en plus dominante. Les détails dépendent de la nature de ces composantes noires, et comparer les observations avec nos différentes théories permet d'identifier celles qui correspondent le mieux.

C'est la principale raison pour laquelle Euclid a été lancé. Il permettra de cartographier la répartition de la matière et son évolution dans le temps. Ces mesures peuvent fournir les indications nécessaires pour mieux comprendre la face cachée de l'univers.

Mais comment étudier la distribution de la matière si la majeure partie de celle-ci est de la matière noire invisible ? Heureusement, la Nature nous a fourni une solution bien pratique: la théorie de la relativité générale d'Einstein nous apprend que la matière courbe l'espace qui l'entoure. Les amas de matière noire révèlent leur présence en déformant les formes des galaxies plus éloignées, tout comme les vagues à la surface d'une piscine déforment le motif des carreaux au fond.



Figure 1. Image prise par Euclid de l'amas de galaxies Persée. Les grandes galaxies jaunes font partie de cet amas massif de matière, mais nous pouvons discerner 50 000 autres galaxies lointaines.
Si nous zoomons (en bas à droite), nous pouvons voir chaque galaxie avec un niveau de détail étonnant. Grâce au grand champ de vision d'Euclid, nous pouvons observer des structures aussi grandes pour la première fois avec une telle qualité.
ESA/Euclid Consortium/NASA, traitement des images par J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, Fourni par l'auteur

Les lentilles gravitationnelles et leurs indices

Étant donné la similitude de ce phénomène avec les lentilles optiques classiques - la physique est différente, mais les mathématiques derrière sont les mêmes - la courbure des rayons lumineux par la matière est appelée "lentille gravitationnelle". Dans de rares cas, la courbure est si forte que plusieurs images de la même galaxie peuvent être observées. La plupart du temps, cependant, l'effet est plus subtil, modifiant légèrement la forme des galaxies éloignées. Néanmoins, si nous faisons la moyenne des mesures pour un grand nombre de galaxies, nous pouvons découvrir des motifs dans leurs orientations qui ont été influencés par la distribution de matière, à la fois classique et noire, intercalée entre ces galaxies et le télescope.

Ce signal de "lentille faible" n'est peut-être pas très spectaculaire, mais il nous offre un moyen direct de cartographier la distribution de la matière dans l'Univers, en particulier lorsqu'il est associé aux distances des galaxies dont les formes ont été mesurées. Le potentiel de cette technique a été reconnu au début des années 90, mais il était également clair que les mesures seraient difficiles.

Les turbulences de l'atmosphère brouillent notre vision des petites galaxies lointaines et floues que nous voulons utiliser, tandis que les imperfections de l'optique du télescope modifient inévitablement les formes observées des galaxies. La communauté astronomique était donc sceptique quant à la faisabilité technique de ce projet. Telle était la situation lorsque j'ai commencé mon doctorat en 1995, lorsque je me suis embarqué dans un voyage pour prouver que c'était possible.


Illustration de l'effet de lentille fort (à gauche) et de la façon dont l'effet de lentille gravitationnelle faible déforme les formes observées d'un champ de galaxies (au centre) si de la matière se trouve au premier plan près de la ligne de visée (à droite). La présence de matière entre les galaxies d'arrière-plan et nous provoque une distorsion de leur forme et de leur orientation. Si elle est effectuée sur une grande partie du ciel, une telle mesure de distorsion apporte des informations précieuses sur la distribution de la matière à l'échelle du temps cosmique.
ESA/Euclid Consortium/NASA, traitement d'images par J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi

Au fil des ans, nous avons découvert et résolu de nouveaux problèmes en utilisant des ensembles de données de plus en plus importants collectés avec des télescopes terrestres. En me basant sur les observations du télescope spatial Hubble lancé en 1990, mon travail de thèse avait déjà montré qu'il était bien plus facile de mesurer même partiellement des formes depuis l'espace.

Cependant, jusqu'à l'arrivée d'Euclid, les télescopes spatiaux ne pouvaient observer que de minuscules parcelles de ciel: le télescope spatial James Webb (JWST), lancé en 2021, voit l'équivalent d'un grain de sable à bout de bras. Or, pour tester réellement la nature de l'énergie noire, il faut couvrir 6 millions de fois plus de surface. C'est ce qui a donné naissance à Euclid, un télescope unique en son genre, conçu pour fournir des images nettes de 1,5 milliard de galaxies, ainsi que des informations sur leur distance. Comme le montre la figure 2, nous observons en une seule prise de vue une zone plus grande que la pleine lune.

Ces données sont complétées par des distances précises pour environ 25 millions de galaxies, ce qui permet de cartographier la distribution des galaxies lointaines dans les moindres détails.

Coordinateur cosmologique pour Euclid

Lorsque j'ai commencé mon parcours dans ce domaine de recherche, l'énergie noire n'avait pas encore été découverte, et rares étaient ceux qui pensaient que les lentilles faibles seraient un outil majeur pour étudier la distribution de la matière. Les choses ont changé. Le lancement d'Euclid en est sans doute la démonstration la plus spectaculaire.

Depuis 2011, alors que le projet était encore envisagé par l'Agence spatiale européenne (ESA) dans le cadre de son programme "Cosmic Vision", j'ai été l'un des coordinateurs d'Euclid pour la cosmologie. Cela signifie que j'étais responsable de l'établissement des principales caractéristiques de la mission, en particulier celles relatives à l'effet de lentille gravitationnelle faible. Il s'agissait notamment de spécifier le degré de netteté des images et la précision des mesures des formes des galaxies. Ce travail a également impliqué des interactions fréquentes avec l'Agence spatiale européenne (ESA) afin de clarifier les objectifs scientifiques et de déterminer comment traiter les nouvelles connaissances.


Figure 2: Cette image montre le champ de vision d'Euclide par rapport à la taille de la pleine Lune. Une seule exposition est environ 100x celle du télescope spatial Hubble, alors que sa netteté est presque la même.
ESA/Euclid Consortium/NASA, traitement d'images par J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, Fourni par l'auteur.

Grâce au travail acharné d'une grande équipe d'ingénieurs et de scientifiques, nous avons réussi à surmonter les nombreux obstacles techniques. Nous avons poursuivi notre collaboration malgré une pandémie, avant de perdre la fusée prévue pour le lancement en raison de l'invasion russe de l'Ukraine - Euclid devait être lancé sur une fusée Soyouz. Remarquablement, l'ESA a rapidement trouvé une solution: un lancement sur une Falcon 9 de SpaceX. Je me suis donc retrouvé en Floride pour assister à ce qui était sans doute le point culminant de toutes mes recherches jusqu'à présent.

La course d'obstacles d'Euclid

Depuis, c'est le grand huit. Les premières images prises en juillet étaient plus bruyantes que prévu, en raison de la lumière du soleil qui s'infiltrait dans la caméra. Cela aurait pu être un problème sérieux, mais le coupable le plus probable - un propulseur saillant qui réfléchissait la lumière du soleil sur l'arrière du pare-soleil - a été rapidement identifié, de même que la solution. En faisant pivoter légèrement le vaisseau spatial, le propulseur a pu être placé dans l'ombre du satellite. Toutefois, cela impliquait une révision complète de la planification des relevés.

Les problèmes ne s'arrêtent pas là. Le rayonnement du soleil pousse Euclid dans tous les sens, ce qui est compensé par les propulseurs qui maintiennent le télescope parfaitement stable. Ce n'est qu'ainsi que nous pouvons prendre les photos nettes dont nous avons besoin. Cependant, des particules énergétiques provenant du soleil ont interféré avec le système de stabilisation, provoquant un léger tremblement du télescope. Une mise à jour du logiciel a permis de résoudre ce problème. Plus récemment, l'accumulation de glace à l'intérieur du télescope a suscité des inquiétudes, mais ce problème a également été résolu avec succès.


Figure 3: Image Euclid de IC 342, une galaxie spirale proche du plan de la Voie lactée. Les observations sensibles d'Euclid dans le proche infrarouge révèlent de nombreux détails dans cette galaxie.
ESA, Fourni par l'auteur.

Pour donner au monde une idée de son potentiel, quelques "premières observations" d'objets photogéniques ont été publiées en novembre. L'observation la plus proche de mes recherches est celle de l'amas de galaxies de Persée (figure 1). Outre les grandes galaxies jaunâtres qui font partie de cet amas massif de matière, Euclid fournit des images détaillées de 50 000 autres galaxies. C'est ce niveau de détail dont j'ai besoin pour mes recherches, mais pour le moment, je ne dispose que de 800 images sur 25 000 nécessaires !

Cela a commencé: le 15 février 2024, Euclid a entamé son étude principale et, au cours des 2200 prochains jours, il continuera à photographier le ciel. Cette grande quantité de données constituera un trésor pour les astronomes - et le monde entier - pour les années à venir. Par exemple, nous pouvons étudier en détail la structure de centaines de galaxies proches, comme IC 342 (figure 3). Ces images ne sont qu'un avant-goût de ce que l'avenir nous réserve.

Cet article est le fruit de la collaboration de The Conversation avec Horizon, le magazine de la recherche et de l'innovation de l'Union européenne. En décembre, les auteurs ont publié une interview avec le magazine.
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