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Cosmologie et Energie Noire

par Francois Legrand - 27 septembre

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cosmologie

L’accélération de l’expansion de l’univers, révélée par l’observation des explosions de supernovae lointaines est une des surprises majeures des ces dernières années. Une question centrale de la cosmologie aujourd’hui est de comprendre la nature de l’énergie noire, source supposée de l’accélération de l’expansion de l’univers. Des campagnes de mesures de grande précision sont menées auprès des grands télescopes au sol afin d’en cerner les propriétés. En parallèle, la préparation de la génération suivante d’expériences, au sol et dans l’espace, nécessite des développements techniques tant en micro électronique qu’en informatique et en mécanique. L’étude de la matière noire, dont la nature reste énigmatique 70 ans après les premières observations, fait aussi partie intégrante du programme de recherche des futurs grands projets.

Les activités de l’équipe couvrent deux thèmes de recherche distincts. Le principal, qui implique la grande majorité des membres du groupe, est la mesure de l’histoire du taux d’expansion de l’Univers. L’objectif est de caractériser par cette mesure le contenu de l’univers en terme de matière, rayonnement, vide, ou autre source exotique d’énergie. Ce travail, essentiellement expérimental, se base sur la mesure de distances de luminosité de supernovae de type Ia, à partir d’observations en imagerie et spectroscopie sur de grands télescopes. Il implique une expertise en traitement massif d’images CCD, astrophysique et cosmologie. L’équipe joue aussi un rôle moteur en France pour la participation française au projet LSST. Un second sujet porte sur la dynamique des systèmes autogravitants, et plus spécifiquement sur ses applications à la compréhension théorique de la formation des grandes structures dans l’univers dans le régime non-linéaire. Ce thème de recherche est à la frontière entre cosmologie, astrophysique et physique statistique.

Le modèle standard de la cosmologie fournit, avec seulement six para- mètres, une description remarquablement précise de l’ensemble des observables cosmologiques. Le prix à payer pour ce succès remarquable a été l’introduction dans le modèle de constituants « sombres » (matière noire et énergie noire) de nature inconnue. Ces interrogations, et tout particulièrement le problème de la nature de l’énergie noire ont motivé un ambitieux programme observationnel, qui culminera à l’orée des années 2020, avec le démarrage des relevés DESI et LSST, et le lancement de deux missions spatiales d’envergure : Euclid et WFIRST. Le groupe du LPNHE est fortement impliqué dans la préparation de ce programme. Il contribue notamment à la construction de LSST et DESI, ainsi qu’aux efforts d’analyse des projets engagés (eBOSS, Subaru).

La stratégie mise en place pour attaquer le problème de la nature de l’énergie noire s’articule autour de deux axes principaux : tout d’abord, mesurer précisément l’histoire de l’expansion cosmique sur une grande gamme de décalage spectral (redshift z < 2.5) afin d’obtenir une contrainte précieuse sur l’équation d’état de l’énergie noire et une possible évolution de celle-ci avec le redshift ; ensuite, contraindre l’histoire de la formation des structures. Le taux de croissance des structures constitue en effet un test de la relativité générale aux échelles cosmologiques. Mesurer simultanément l’expansion et la formation des structures permet de discriminer entre un scénario dans lequel l’énergie noire serait effectivement un nouveau constituant physique de l’Univers, ou bien s’il faudrait faire appel à une modification de la relativité générale aux échelles cosmologiques pour expliquer le mystère de l’énergie noire. La mesure de la relation entre distance de luminosité et redshift en utilisant des supernovae de type Ia (SNe-Ia) comme indicateurs de distance constitue la sonde historique qui a permis de mettre en évidence, au tournant des années 2000, l’accélération de l’expansion. Le groupe a développé dans ce type d’analyse une expertise reconnue internationalement. Il a notamment publié, dans le cadre d’un effort conjoint des collaborations SDSS et SNLS, un diagramme de Hubble combiné, qui a permis de contraindre le rapport pression/densité de l’énergie noire avec une précision de 6 %, et qui représente, aujourd’hui encore, l’état de l’art dans le domaine. Le groupe est maintenant engagé dans un effort ambitieux consistant à construire, à l’horizon 2020, un diagramme de Hubble s’étendant de z ~ 0.05 à z ~1.5, en combinant la statistique des projets SDSS et SNLS, avec un échantillon à très haut redshift collecté avec les télescopes Subaru et Hubble.

Les contraintes sur la densité et sur le paramètre d’état de l’énergie noire sont actuellement dominées par les incertitudes systématiques. Pour les réduire, le groupe s’est impliqué sur deux axes : le développement d’une activité de calibration absolue des instruments (télescope et imageur) par illumination directe (projets DICE, pour Direct Illumination Calibration Experiment). Et la recherche d’un troisième paramètre observable ayant une corrélation avec la luminosité des SNe-Ia, en plus de leur vitesse d’affaiblissement et de leur couleur au maximum de luminosité.

Des avancées très significatives sont attendues des autres sondes liées à l’étude des structures
de l’Univers, accessibles grâce aux imageurs grand champ et à des télescopes dédiés. Depuis fin 2015, une partie du groupe s’est impliquée dans des projets de grands relevés spectroscopiques de galaxies. Il s’agit des projets eBOSS (pour extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) et DESI (pour Dark Energy Spectroscopic Instrument). L’objectif de ces projets est de compléter à plus haut décalage vers le rouge la mesure de l’histoire de l’expansion de l’univers obtenue avec le diagramme de Hubble des SNe-Ia.

Ces catalogues tridimensionnels (redshift et position angulaire) permettent d’étudier les grandes structures de l’Univers, en utilisant les galaxies et les spectres d’absorption de quasars comme traceurs du champ de densité de matière. Ces données offrent plusieurs tests du modèle cosmo- logique et de la relativité générale aux grandes échelles. Ainsi, les distorsions de redshift caractérisées par une différence de corrélation apparente le long et transversalement à la ligne de visée permettent de mesurer le taux de formation des structures ; la forme et l’évolution du spectre de puissance aux petites échelles permettent de tester le paradigme de la matière noire et de contraindre la masse des neutrinos ; la mesure du pic acoustique des oscillations de baryons (BAO, pour Baryon Acoustic Oscillations), permet une mesure de la distance angulaire et du taux d’expansion à haut redshift. Soulignons que cet indicateur de distance est complémentaire à l’indicateur de distance de luminosité que constituent les SNe-Ia.

Le groupe s’est également positionné pour participer aux mesures de cisaillement gravitationnel, c’est-à-dire de la déformation induite sur les images des objets d’arrière-plan par le champ gravitationnel des amas de galaxies, et de leur corrélation à grande échelle. Cette mesure, qui sera faite sur les relevés à grand champ produits par LSST (Large Synoptic Survey Telescope) et par le télescope spatial Euclid, permettra de contraindre la densité de matière noire de manière directe et apportera des contraintes sur une possible modification de la gravité.
Par ailleurs, la stratégie d’observation du grand relevé prévu pour le télescope LSST, dédié et de type rolling search, est propice à la découverte et au suivi de dizaines de milliers de SNe-Ia jusqu’à des distances intermédiaires (z ~ 0.9). Ainsi, le groupe travaille sur une stratégie de cadences d’observation favorable aux supernovae. Il participe également à l’optimisation des algorithmes de traitement massif de données de LSST.

Depuis 2007, le groupe contribue à la construction de l’imageur grand champ de LSST : système de changeur automatique de filtres ; banc de caractérisation des senseurs CCD du plan focal et d’optimisation de leur lecture ; micro-électronique de lecture des CCD et micro-code associé à l’acquisition des images. La construction sur le site Chilien du Cerro Pachón est en cours depuis 2011 et le pré-assemblage de l’imageur a débuté à SLAC en 2017. La première lumière de l’ensemble est attendue pour 2020. Enfin, l’activité théorique sur la dynamique des systèmes auto-gravitants se poursuit par des simulations d’un grand nombre de particules pour caractériser les effets non-linéaires qui dominent la formation des structures à petite échelle.

Retrouvez ce texte dans le rapport d’activité 2015-2017 du LPNHE.

Projets : LSST - eBOSS/DESISupernovae- SCP SNF SNLS SkyMapper - EUCLID - Dynamique des Systèmes Autogravitants

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