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, le long de la ligne de visée du télescope au sol. Pour ce faire, ils ont utilisé les dernières données de forêt Lyman-alpha, qui tracent de manière indirecte la densité de matière dans la direction d’objets brillants, les quasars. La carte obtenue couvre à un cube de 3,26 milliards d’années-lumière de côté issues d’observations de près de 10000 quasars, et constitue un nouvel outil pour étudier l’histoire de l’Univers 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. Même aux très grandes échelles, bien plus grandes que la distance typique entre les galaxies, la distribution de toute cette matière n’est pas homogène et les propriétés statistiques 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 primordial avant que les électrons et les ions ne se recombinent pour former des atomes ; l’impact de la masse des neutrinos ; ou encore la signature de propriétés microscopiques de la matière noire comme sa masse ou ses interactions. Les propriétés des galaxies et du gaz intergalactique influent aussi sur ces fluctuations de matière.
Afin de cartographier la distribution de la matière à grande échelle, 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 les plus anciens possibles (il y a plus de 10 milliards d’années), l’approche actuellement la plus performante repose sur une observation 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 - dites Lyman-alpha – dues à la présence de nuages de gaz d’hydrogène neutre situés entre un quasar et l’observateur terrestre. Grâce à l’effet de décalage vers le rouge bien connu en cosmologie, en mesurant la longueur d’onde de chaque raie d’absorption on reconstitue précisément la position du nuage 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 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 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 représente un angle de vue sur le ciel de 23 degrés, et l’axe vertical 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 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 Observatory au Nouveau-Mexique (Etats-Unis) : c’est le grand relevé astrophysique qui a fourni à la communauté scientifique la majorité des spectres de quasars lointains observés. La forêt Lyman-alpha est par nature une sonde 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. 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 de qualité. Ces données couvrent un champ de 220 deg2 : cela constitue seulement une fraction de toute la surface du ciel couverte par SDSS, mais permet néanmoins de couvrir le plus grand volume 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, 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 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. 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 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 Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
• BAO
