Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers

Objectif: Comme ses semblables, notre Galaxie (la Voie Lactée) contient une fraction dominante de matière sombre dont la nature est encore inconnue. Ce fait ressort de la comparaison des estimations de sa masse obtenues, soit en mesurant la luminosité de ses étoiles, soit par l’étude de sa rotation ainsi que des mouvements de ses satellites, amas globulaires ou galaxies naines. Le principal programme d'Eros consiste en la recherche de cette matière sombre galactique sous forme d’astres compacts et obscurs, les machos. Nous utilisons pour cela le phénomène de micro-lentille gravitationnelle. Ce même phénomène est aussi utilisé pour étudier la distribution de matière dans le disque de notre Galaxie, ainsi que pour la recherche de microlentilles exotiques. En outre, Eros a étudié des explosions de supernovae jusqu’à des distances d’un milliard de parsecs.

Localisation Observatoire européen austral (ESO), La Silla, Chili

Collaboration France (Dapnia-CEA, IAP-Insu, LAL-IN2P3, PCC-IN2P3, Observatoire de Marseille), USA, Danemark

Approche scientifique

Moyens d'investigation Le phénomène de micro-lentille provoque un accroissement apparent de la luminosité d’une étoile lointaine lorsqu’un autre objet, sombre ou non, s’interpose sur la ligne de visée. Il est dû à la déflection de la lumière de cette étoile lointaine par l’astre qui s’interpose. Des alignements suffisamment précis sont extrêmement rares : même si toute la matière sombre galactique était sous forme de machos, on n’observerait tout au plus qu’un cas de micro-lentille par million d’étoiles observées et par an. Si ces machos ont une masse comparable à celle des étoiles, les phénomènes durent entre un mois et quelques années ; cette durée permet d'ailleurs d’estimer la masse de ces machos. Eros s'est donc astreint à surveiller plusieurs fois par semaine plus de 50 millions d’étoiles dans les Nuages de Magellan, deux galaxies naines satellites de la nôtre, à l’aide de deux caméras CCD à grand champ (un degré carré). Les études du disque et du centre galactique se sont déroulées de la même façon : le nombre d'étoiles suivies est comparable, mais le taux de micro-lentilles y est sensiblement plus élevé.
Outre ces recherches (indirectes) de machos, nous avons aussi conduit une recherche directe d'un composant possible de la matière sombre, des étoiles naines blanches du halo galactique. Leur particularité serait d’avoir un mouvement mesurable sur nos clichés à l’échelle de quelques années, pour les plus proches d’entre elles.
En ce qui concerne les supernovae, des zones du ciel pauvres en étoiles mais riches en galaxies lointaines ont été photographiées à un mois d’intervalle. Lorsqu'un objet brillant apparaissait près d’une galaxie, un suivi plus fréquent était mis en œuvre pour vérifier sa nature, supernova ou autre. Il fallait en moyenne 3 heures d’observation pour découvrir une supernova.


Instruments Télescope dédié de 1 mètre de diamètre ; deux caméras CCD à grand champ

Spécificités À leur mise en service, nos deux caméras ont été pendant quelque temps les plus grandes en fonctionnement continu. Notre programme nécessite des observations continues sur plusieurs années et nous utilisons en conséquence un télescope dédié à ce programme. Le système de refroidissement des caméras CCD ne requiert pas d’azote liquide ; il s’agit d’un système original basé sur de la détente d’hélium gazeux.

Contribution du Dapnia

Responsabilités scientifiques et techniques Le Dapnia a fourni le groupe principal de l’expérience. L’un des deux co-responsables du projet est un physicien du Dapnia, ainsi que le responsable technique. Le Dapnia a réalisé les deux caméras CCD ainsi que le système cryogénique, l’électronique associée et le système d’acquisition ; il en a assuré la maintenance. Les physiciens du Dapnia ont eu un rôle clé dans la quasi-totalité des analyses.

Etats et perspectives

Dates importantes Février 2003 : fin de la prise de données, après 6 ans et demi de fonctionnement quasi-continu.


Perspectives L'expérience Eros dispose de lots statistiques très importants. Dans le cas des observations des Nuages de Magellan, il s'agit même du lot représentant la plus importante sensibilité au monde. Les échantillons complets vers le Centre Galactique et les Nuages de Magellan sont en cours d'analyse; ils comportent une statistique 4 à 5 fois plus élevée que les résultats déjà publiés. Cela permettra de vérifier et d'affiner nos mesures antérieures. On s'attend dans ce cas à confirmer que le taux de microlentilles vers le Centre Galactique est "normal", et que des machos de masse stellaire ne peuvent rendre compte de la matière noire de notre Galaxie. Nous pensons pouvoir être sensibles, pour la première fois, à des machos dont la masse serait plusieurs centaines de fois supérieure à celle du Soleil. Toutes ces recherches produiront en parallèle de très vastes catalogues d'étoiles variables (plusieurs centaines de milliers), avec des retombées scientifiques certaines mais imprévisibles.

Bilan scientifique et technique L'expérience acquise dans la construction de mosaïques CCD pour Eros a permis aux équipes du Dapnia de réaliser la plus grande mosaïque au monde, la caméra MegaCam, installée à Hawaii sur le télescope CFH.
Nous avons établi que la matière sombre galactique ne peut être constituée d'astres compacts, les machos, dans une vaste gamme de masses, entre un dix-millionième de la masse du Soleil et dix fois celle-ci. Nous avons aussi vérifié que les naines blanches et des nuages de gaz opaques ne sont au mieux que de très faibles composantes de cette matière sombre.
Nous avons mesuré le taux de microlentilles vers le centre de la Galaxie : le résultat est en bon accord avec le taux attendu.
Nous avons mesuré le taux d'explosion de supernovae de type Ia à une distance typique de 500 Mégaparsecs. (Ces études continuent dans le cadre du programme SNLS avec la caméra MegaCam.)


Faits marquants Avril 2001 : Résultat négatif de la recherche de naines blanches du halo (thèse de B. Goldman) : moins de 10% de la matière sombre peut être constituée de tels objets (publié en juillet 2002).
Juillet 2001 : Publication du taux de microlentilles vers les bras spiraux.
Octobre 2001 : Mesure du taux de microlentilles vers le centre galactique (thèse de C. Afonso) : deux à trois fois plus faible que celles des autres groupes, mais en bon accord avec les modèles les plus simples de la Galaxie (publié en juin 2003).
Novembre 2001 : Détection d'une émission chromosphérique d'une étoile géante rouge lointaine, résolue grâce au phénomène de microlentille.
Décembre 2002 : Mesure du taux d'explosion de supernovae de type Ia (thèse de G. Blanc; publication prévue en 2004).
Mars 2003 : Publication de nouvelles limites sur la présence de machos dans le halo par l'étude d'étoiles du Petit Nuage de Magellan.
Septembre 2003 : Confirmation de ce résultat par une analyse indépendante en photométrie différentielle (thèse de L. Le Guillou). Résultat négatif d'une recherche par la même technique d'un autre composant possible de la matière sombre, des nuages de gaz opaques.

Etat de l'expérience

Expérience achevée.

Contact

James RICH

Nathalie PALANQUE DELABROUILLE