Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique

Les mirages de la gravitation

Dans le cadre de la cosmologie du Big Bang, 95% du contenu de l'univers semble inconnu. Selon les derniers résultats du satellite Planck (ESA), seulement 4,9% est constitué de matière ordinaire en forme de planètes, étoiles et gaz et 26,8% est sous forme de matière non-visible. Cette matière dit  "matière noire" forme la toile cosmique sur laquelle des galaxies sont situées comme autant de gouttes d'eau sur une toile d'araignée. Le reste, un peu plus de deux tiers, est une composante mystérieuse, l'énergie noire, distribuée partout dans l'univers de manière diffuse. Cette substance est responsable de l'expansion accélérée de l'univers.
Paradoxalement, la méthode la plus précise pour évaluer les effets de la matière et de l'énergie noires est de mesurer l'effet perturbateur qu'elles produisent sur les images de galaxies. Dans la théorie de la relativité générale, la lumière est déviée par la gravitation créant des effets d'optique spectaculaires qui amplifient et déforment les images comme le font les lentilles de verre. Ces véritables "mirages gravitationnels" sont aujourd'hui un des meilleurs outils pour detecter les composantes "invisibles" de l'univers.
Lors d'une concentration élevée de matière, comme dans les amas de galaxies,  l'effet de lentille est très fort créant des anneaux, arcs et dédoublements d'images facilement détectables. Mais lorsque les composantes invisibles sont réparties de façon plus diffuse, les déformations d'images deviennent presque imperceptibes.

Un sondage précis à grande dimension

Pour la première fois, un relevé précis des faibles déformations a été obtenu sur une région du ciel de 154 degrés-carré et pour un ensemble de plus de 4 milions de galaxies lointaines, situées dans une tranche d'univers entre 2,4 et 8,8 milliards d'années dans le passé, le plus grand volume d'univers jamais sondé par cette méthode.
Ce grand sondage, baptisé CFHTLenS, a nécessité plus de 5 ans et 500 nuits d'observation à l'aide de la caméra géante MegaCam de 375 millions de pixels construite au CEA.
Les déformations des galaxies sont tellement faibles qu'elles sont souvent plus petites que les aberrations introduites par l'atmosphère, le télescope ou le caméra. L'équipe CFHTLenS a reanalysé toutes les données pour garantir la qualité des images des galaxies et la modélisation et la correction de tous ces défauts dans les images a pris plusieurs années. En collaboration avec des mathématiciens du CNRS, des outils statistiques spécifiques ont été utilisés qui sont également appliquées dans la domaine de biologie.

La nature de l'énergie noire

Grâce à cette analyse fine, les chercheurs ont pu mesuré l'effet de la matière noire sur la structuration de la toile cosmique et la géométrie de l'univers. Ils ont déterminé avec une probabilité de plus de 50:1 que notre cosmos a une géométrie plate et non courbée dans cette tranche d'Univers, confirmant les hypothèses sur l'univers primordial. Ce résultat est complémentaire de celui obtenu récemment par le satellite Planck lors de son analyse du rayonnement diffus à grande distance. Alors que Planck observe les plus grandes structures à très grandes distances, la technique de « lentille gravitationnelle » accède aux plus petites structures où l’effet de la gravité est le plus fort.

Toutes les images, données et logiciels d'analyse ont été rendues publiques pour permettre l'utilisation optimale de ce relevé géant. Des études précédentes d'une partie de ces données avaient déjà détecté des grandes structures de la toile cosmique. Mais seule l'analyse précise de l'ensemble des données a permis d'aller au-delà des thérories établies. Dans une publication associée, il a pu être testé par exemple certaines théories alternatives qui proposent d'expliquer l'énergie noire par une modification de la loi de la gravitation.
Malgré sa taille, le grand relevé CFHTLenS représente encore moins de 1% du ciel, soit la surface de deux iphones tenus à bout de bras. Des relevés plus complets sont actuellement en cours de réalisation comme le Kilo Degree Survey (KiDS) et le Dark Energy Survey (DES), mais les astrophysiciens attendent désormais avec impatience le lancement de la mission spatiale Euclid, qui couvrira plus de la moitié du ciel et mesurera les déformations de la toile cosmique avec une précision sans précédent. Euclid, née d’une idée française, vient en effet de franchir avec succès toutes les étapes de sélection pour être retenue, parmi plus de 50 propositions à l’origine, comme deuxième mission du programme Vision Cosmique de l’ESA. pour un lancement vers 2020.

Contact : Martin KILBINGER

voir - le communiqué de presse commun CEA-CNRS-INSU-CFH-Université Diderot (10 avril  2013)    

Publications :
"CFHTLenS: Combined probe cosmological model comparison using 2D weak gravitational lensing"
Martin Kilbinger, Liping Fu, Catherine Heymans, Fergus Simpson, Jonathan Benjamin, Thomas Erben, Joachim Harnois-Deraps, Henk Hoekstra, Hendrik Hildebrandt, Thomas D. Kitching, Yannick Mellier, Lance Miller, Ludovic Van Waerbeke, Karim Benabed, Christopher Bonnett, Jean Coupon, Michael J. Hudson, Konrad Kuijken, Barnaby Rowe, Tim Schrabback, Elisabetta Semboloni, Sanaz Vafaei, Malin Velander, en cours de publication dans Monthly Notices RAS, pour une version électronique  : http://arxiv.org/abs/1212.3338
"CFHTLenS: Testing the Laws of Gravity with Tomographic Weak Lensing and Redshift Space Distortions", Fergus Simpson et al. , pour une version électronique  : http://arxiv.org/abs/1212.3339

Voir également : « Concentré d'Univers avec la caméra MegaCam », 26 octobre 2012
                          " Feu vert pour la mission spatiale Euclid", 20 juin 2012
                          " Fresque cosmique - Carte de la matière noire"  (7 Janvier 2007)

                      et   le site CFHTLens
                            EUCLID sur le site du Sap
                            le Consortium Euclid

Note :

[1] Le projet CFHTLens est le fruit d'une collaboration internationale dirigée par Ludovic van Waerbeke (British Columbia University, Canada) et Catherine Heymans (University of Edimburg, U.K). Les données sont traitées en collaboration avec le Centre de données TERAPIX de l'Institut d'Astrophysique de Paris (IAP) dirigé par Yannick Mellier. Voir également le site grand public CFHTLens.

Rédaction: M. Kilbinger, J.M. Bonnet-Bidaud