La collaboration SNLS (Supernova Legacy Survey, au télescope Canada-France-Hawaï) vient de publier une nouvelle méthode permettant de déterminer la vitesse de récession des supernovas, ces « chandelles standard » qui apparaissent dans l'Univers tout au long de son histoire. La nouveauté est de pouvoir étudier ces explosions cataclysmiques sans avoir recours à l'usage de la spectroscopie, trop gourmande en temps d'observation même sur les plus grands télescopes de la planète. Près de la moitié du millier de supernovas qui ont été observées par l'expérience SNLS depuis 2003 grâce à la caméra Mégacam auraient du être abandonnées sans cette nouvelle analyse. Pour les projets futurs qui visent le million de supernovas, ce type de méthode sera absolument indispensable.
La méthode développée vient d'être publiée dans Astronomy & Astrophysics
Figure 1 : Coupole abritant le télescope de 3,60 m de diamètre de l'observatoire du Canada-France-Hawaï, situé sur le Mauna Kea à Hawaï.
Motivation
Retracer l'histoire de l'Univers est un des défis de la cosmologie. Une supernova de type Ia (SN Ia) correspond à une explosion spectaculaire qui survient lorsque dans un système binaire, une étoile très dense appelée naine blanche avale son étoile compagnon. Il se trouve que ce processus d'explosion, se produisant lorsque la naine blanche atteint une fois et demie la masse de notre soleil, se reproduit dans des conditions toujours semblables d'une supernova à l'autre. Il ne dépend pas du couple d'étoile, ni de l'âge qu'avait l'Univers au moment de l'explosion. C'est pour cela que ces supernovas sont considérées comme des chandelles standard. Les scientifiques les utilisent pour calculer la distance des galaxies, proches et lointaines, et déterminer le rythme d'expansion de l'univers. Géométrie et contenu étant étroitement liés, d'après les relations établies par Einstein et ses confrères au début du XXe siècle, les supernovas nous donnent ainsi des indications précieuses sur la composition de notre univers.
Des explosions, témoins de l'existence de l'énergie noire...
Témoins de l'histoire de notre Univers, les SN Ia permettent notamment d'étudier l'évolution de l'expansion de l'Univers depuis la plus ancienne explosion de supernova, datant d'il y a neuf milliards d'années (on estime l'âge de l'Univers à 13,7 milliards d'années). C'est ainsi que des observations portant sur des SN Ia avaient conduit en 1998 à une découverte totalement inattendue : notre Univers subit aujourd'hui une accélération de son expansion ! Cette accélération est contraire à ce que donnerait un Univers constitué de matière comme nous la connaissons, et ne peut s'expliquer qu'en invoquant l'existence d'une composante jusqu'alors passée inaperçue et baptisée énergie noire. Les supernovas ont encore des révélations à nous faire concernant les propriétés de cette nouvelle forme d'énergie. C'est pourquoi elles continuent à être avidement recherchées par les physiciens du monde entier.
Supernova, où es-tu ? Rougis-tu ?
Puisque nous connaissons la quantité de lumière émise par les supernovas de type Ia, l'éclat perçu pour chacune d'entre elle nous permet de savoir à quelle distance de notre galaxie elle a explosé.
L'expérience SNLS détermine l'éclat apparent d'une SN Ia à partir de données photométriques prises à l'aide de la caméra Megacam, réalisée à l'Irfu et placée au foyer du télescope Canada-France-Hawaï de 3,60 m de diamètre (figures 1 et 2).
Figure 2 : Photo de la caméra Megacam lors de son montage à l’Irfu.
Figure 3 Lorsque qu’une galaxie s’éloigne de nous, les raies de son spectre sont décalées vers les grandes longueurs d’onde, c’est-à-dire vers la partie du spectre correspondant au rouge
L'autre information indispensable pour les études portant sur l'expansion de l'Univers est la vitesse de récession de chaque supernova, donnée par son décalage spectral (le redshift de la terminologie anglaise). Jusqu'ici, ce paramètre était extrait de la mesure du spectre de l'étoile, c'est-à-dire de la répartition des longueurs d'onde de sa lumière. L'expansion, en « allongeant » l'Univers, augmente aussi la longueur d'onde des photons qui s'y propagent.
Comme illustré sur la figure 3, les éléments chimiques d'un astre, absorbant la lumière à une énergie bien définie, génèrent des bandes plus sombres dans son spectre. Lorsque cet astre s'avère s'éloigner de nous, comme c'est le cas dans un univers en expansion où tous les objets s'éloignent les uns des autres, ces raies sombres sont décalées vers des longueurs d'onde plus grandes, et donc vers le rouge (d'où le nom de « red shift » : décalage vers le rouge). Ce décalage du spectre mesure la vitesse de récession de la supernova, c'est-à-dire la vitesse d'expansion de l'univers lors de l'explosion.
Chandelle sans spectre, à la poubelle !
Obtenir ces spectres nécessite jusqu'à plusieurs heures d'observation, pour chaque nouvelle supernova, même sur les plus grands télescopes de la planète.
En cinq ans d'observation, de 2003 à 2008, l'expérience SNLS a découvert près d'un millier de SN Ia lointaines, augmentant d'un bon facteur dix le nombre de supernovas de ce type connues jusqu'alors. Mais malgré tout le temps de télescope accordé au projet, les spectres n'ont pu être mesurés que pour la moitié seulement des événements. Or les supernovas finissent par s'éteindre et ne sont plus visibles après quelques mois. Il n'est donc plus possible d'obtenir après coup les spectres manquants. N'ayant pas dévoilé leur redshift, la moitié des supernovas découvertes par SNLS ne peuvent pas être exploitées.
Nouvelle approche pour mesurer les supernovas
Le remède à l'absence de spectre a été trouvé par une équipe de chercheurs de l'Irfu : il faut se contenter des données photométriques issues de Megacam et en extraire non seulement la distance, comme par le passé, mais également le décalage spectral de l'étoile.
Ces données photométriques sont d'excellente qualité, avec des points de mesure toutes les 3 nuits environ à l'aide de quatre filtres de couleurs différentes, allant du visible à l'infrarouge proche. L'approche étudiée par une équipe de chercheurs du Service de physique des particules de l'Irfu au CEA-Saclay consiste à utiliser les données photométriques d'une SN Ia pour en déterminer le décalage spectral. En effet, en raison de l'expansion de l'Univers et du décalage vers le rouge, la brillance d'une supernova dans chacun des quatre filtres de SNLS dépend elle aussi de sa vitesse de récession. Par conséquent, il est possible d'obtenir une estimation de son décalage spectral à partir du rapport des flux observés à l'aide des différents filtres (figure 4)
Figure 4. Ces figures représentent le spectre d'une SNIa positionné dans les bandes d'observation photométrique de SNLS (g, r, i et z), pour deux décalages spectraux différents. C'est le spectre qui se décale, les bandes d'observation, elles, sont bien évidemment inchangées. L'information de la lumière dans chaque filtre placé sur la caméra Mégacam reflète aussi le décalage spectral obtenu habituellement avec l'information du spectre continu (courbe noire).
Une nouvelle méthode, précise et efficace
Afin de connaître la précision de la méthode développée par l'équipe de l'Irfu, on l'a appliquée aux supernovas dont le décalage spectral avait été préalablement mesuré à partir de leur spectre (appelé « décalage spectral de référence »). Le décalage spectral déterminé à partir des seules mesures photométriques s'est avéré être en accord au pourcent près avec sa valeur de référence (figure 5).
Ainsi, la majorité des SN Ia découvertes par l'expérience SNLS vont pouvoir participer aux analyses cosmologiques. Complétée par une sélection reposant également sur les seuls critères photométriques, on pourra augmenter d'un facteur 2 le nombre de SN Ia utilisables dans SNLS, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour les études nécessitant un grand nombre d'événements.
| Figure 5 : Précision avec laquelle le décalage spectral peut être déterminé à partir des données photométriques de SNLS. En vert est représentée la marge d'erreur moyenne. |
A l'horizon 2015, de nouveaux projets comme le Dark Energy Survey ou le Large Synoptic Survey Telescope envisagent la découverte de cent mille à un million de SN Ia sans possibilité d'avoir recours à la spectroscopie pour la plupart d'entre elles. La mesure de leur décalage spectral photométrique avec une précision semblable à celle de SNLS sera alors la bienvenue !
Ce résultat paraîtra dans Astronomy and Astrophysics : « Photometric redshifts for supernovae Ia in the Supernova Legacy Survey », N. Palanque-Delabrouille, V. Ruhlmann-Kleider, S. Pascal, J. Rich et al.
Pour une version électronique : http://fr.arxiv.org/abs/0911.1629
Contacts IRFU :
• Structure et évolution de l'Univers › Univers sombre
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
