Nos recherches en cosmologie vont de la cosmologie observationnelle, avec le télescope spatial Euclid ou NewAthena notamment, à la modélisation théorique des grandes structures par des approches stochastiques en passant par les simulations numériques.
Cosmologie observationnelle
Euclid : Le LCEG est très investi sur Euclid du segment sol à l’exploitation scientifique. Nous sommes intéressés notamment par les mesures de cisaillement gravitationnel et ce qu’elles nous disent du modèle cosmologique mais aussi par l’étude du lien toile cosmique-galaxies. En amont d’Euclid, notre équipe s’est beaucoup investie sur le relevé UNIONS et notamment la caméra Megacam sur le télescope Canada-France-Hawaii. Ici l’étude à faible brillance de surface des galaxies nous a permis de caractériser leur morphologie et leur orientation au sein des grandes structures locales, comme le superamas Pisces-Perseus. Ce lien galaxies-toile cosmique est important non seulement pour mieux comprendre comment les galaxies se forment et évoluent mais aussi pour la cosmologie. En effet, les mesures de cisaillement cosmique sont contaminées par les alignements de galaxies à grande échelle dans l’Univers, d’où l’importance de les étudier en détail.
NewAthena : Notre laboratoire participe également à la préparation de la mission NewAthena de l’ESA. Cet observatoire phare dédié aux rayons X, dont le lancement est prévu à la fin des années 2030, offrira une sensibilité supérieure d’un ordre de grandeur à celle des observatoires actuels les plus sensibles, et sera équipé d’un imageur à grand champ de vue ainsi que d’une unité de champ intégral (integral field unit) à haute résolution pour les rayons X. NewAthena va révolutionner notre compréhension du gaz chaud dans les structures cosmiques, en permettant la caractérisation du champ de vitesse du gaz dans les systèmes proches, la mesure des propriétés thermodynamiques de la périphérie des amas, et la détection du gaz chaud dans les candidats à proto-amas à grand redshift. Comme la croissance et l’évolution de la population d’amas de galaxies au cours du temps cosmique dépendent de manière sensible de plusieurs paramètres cosmologiques fondamentaux, ces observations peuvent être utilisées pour obtenir des contraintes cosmologiques indépendantes, à comparer avec celles obtenues par d’autres méthodes. Nous appliquons déjà avec succès cette approche à partir de catalogues d’amas identifiés aussi bien par les observatoires de rayons X actuels que dans le domaine millimétrique via l’effet dit de Sunyaev-Zel’dovich, notamment grâce à notre implication dans les missions XMM-Newton et Planck.
Simulations numériques
Notre laboratoire développe des simulations cosmologiques visant à mieux comprendre la formation des structures (amas, toile cosmique, galaxies) dans leur contexte cosmologique. Via le projet ERC COLIBRI, nous réalisons des zooms dans différents environnements cosmiques (grands vides versus superamas par exemple) afin de comprendre comment ces environnements modifient l’histoire d’évolution des galaxies en leur sein. Ces effets sont importants à modéliser pour interpréter correctement les observations à l’ère des grands relevés comme Euclid ou LSST. Cependant, ils sont très gourmands en ressources de calcul et nécessitent des développements numériques spécifiques sur lesquels nous travaillons.
Crédit © Sandrine Codis / 2023
Théorie des grandes structures
Nous développons des modèles théoriques permettant de comprendre l’évolution de la matière à grande échelle dans l’Univers. Ces dernières années, nos recherches se sont notamment concentrées sur i) la modélisation de la toile cosmique via la prédiction des abondances de pics, filaments, murs et vides dans l’Univers et ii) la modélisation du signal de lentillage gravitationnel faible par les grandes structures de l’Univers. Ces travaux font appel à la théorie des grandes déviations qui est aussi très utilisée en physique statistique, en météorologie ou encore en économie pour comprendre l’occurrence d’évènements rares. Ils font également appel à d’autres méthodes de théorie des probabilités comme les champs contraints aléatoires. Ces développements théoriques nous permettent de comprendre les processus physiques en jeu à grande échelle dans l’Univers et comment l’observation des grandes structures peut nous permettre d’en apprendre davantage sur le modèle cosmologique et la physique fondamentale en générale, notamment matière noire, énergie sombre ou encore possibles modifications de gravité.
