Une équipe internationale d’astronomes d’instituts français et canadiens a analysé les images Megacam du grand relevé « Canada-France-Hawaii Telescope Legacy Survey » (CFHTLS). Ils ont observé pour la première fois les effets très faibles de lentilles gravitationnelles produits par des structures cosmiques extrêmement grandes. En observant les effets de distorsions gravitationnelles « cosmologiques », les astronomes voient comment la matière noire et l'énergie noire ont participé à la construction et à l'organisation des grandes structures de l'Univers actuel. La distribution de matière noire à l’intérieur de filaments s’étendant sur des distances allant jusqu’à 270 millions d’années-lumière apporte un éclairage nouveau sur l’histoire de la formation des grandes structures, les propriétés de l’Univers sombre et les paramètres cosmologiques.

Les astronomes savent depuis quelques temps que l’Univers est rempli d’une mystérieuse matière noire. Cette matière invisible forme des structures géantes de filaments, de feuilles et d’amas. La manière précise avec laquelle cette sombre « trame cosmique » est répartie à travers l’Univers a longtemps intrigué les scientifiques.

Une équipe internationale d’astronomes français et canadiens vient de réussir à détecter pour la première fois des structures de matière noire de tailles allant jusqu’à 270 millions d’années-lumière. Ces structures s’étendent sur des distances qui mesurent jusqu’à 2000 fois la taille de notre propre Voie lactée. Les échelles explorées sont trois fois plus grandes que ne l’ont montré les analyses effectuées jusqu’à maintenant.

Pour y parvenir, les scientifiques utilisent une technique relativement nouvelle, dite de « lentille gravitationnelle faible ». La lumière des galaxies lointaines est déviée par la matière noire pendant son trajet vers nous à travers l’Univers. De la même manière que la structure osseuse du corps humain est rendue visible sur les radiographies en rayons X, la matière noire laisse son empreinte dans la signature lumineuse des galaxies, révélant sa présence par la gravité qu’elle exerce. Les mesures précises de cet effet, prédit par Einstein, ont été le but principal du grand projet de relevé, le CFHTLS.

L’équipe de 19 chercheurs de 11 instituts, menée par l’Institut d’astrophysique de Paris (IAP, CNRS-Université Pierre & Marie Curie), l'Université British Columbia (UBC) et l'Université de Victoria (UVic) au Canada, a passé plusieurs années à développer des outils pour analyser les images obtenues par la plus grande caméra numérique du monde. Ces résultats représentent une avancée sans précédent, de si grandes échelles et de si petits signaux n’ayant encore jamais été explorés auparavant.

« Nos observations repoussent les limites de notre connaissance de la trame cosmique bien au-delà de ce qui était connu jusqu’alors », explique Liping Fu. « Nous confirmons ainsi la validité de notre modèle de l’Univers, y compris jusqu’à ces très grandes échelles ». Les mesures aux grandes échelles, ajoute-elle, présentent l’avantage d’être facilement comparables aux prédictions théoriques. La détermination de la composition de l’Univers est cruciale pour la compréhension de son histoire et de son évolution. Elle permet aussi de prédire son devenir à long terme.

« Ces résultats montrent que les lentilles gravitationnelles faibles sont une technique fiable et précise pour la cosmologie » souligne Yannick Mellier de l’IAP. La prochaine génération de télescopes et de caméras mesurera les effets des lentilles gravitationnelles à travers l’ensemble du ciel, sur des milliards de galaxies. Ces relevés contribueront à révéler la mystérieuse nature de la matière noire et apporteront un éclairage précieux sur le mystère encore plus grand que constitue l’énergie sombre.

Ces résultats ont été publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics Main Journal (une copie est disponible ici : http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361:20078522).

Cette équipe internationale d’astronomes est composée de L. Fu (IAP, UPMC, SHNU Shanghai), E. Semboloni (IAP, UPMC, AIfA Bonn, H. Hoekstra (UVic), M. Kilbinger (IAP, UPMC, AIfA Bonn) L. van Waerbeke (UBC), I. Tereno (IAP, UPMC, AIfA Bonn), Y. Mellier (IAP, UPMC), C. Heymans (UBC, IAP,UPMC), J. Coupon (IAP, UPMC), K. Benabed (IAP, UPMC), J. Benjamin (UBC), E. Bertin (IAP, UPMC), O. Doré (CITA), M.J. Hudson (Univ. Waterloo), O. Ilbert (LAM Marseille, IfA Honolulu), R. Maoli (IAP, UPMC, Univ. La Sapienza Roma), C. Marmo (IAP, UPMC), H.J. McCracken (IAP, UPMC) et B. Ménard (CITA).

Le télescope Canada-France-Hawaii (CFHT) est une unité de service commune au National Research Council (NRC) du Canada, au CNRS, et à l’Université d’Hawaii. TERAPIX est un centre national de traitement de données financé par le CNRS-Institut national des sciences de l’Univers (INSU), le programme national de cosmologie et l’IAP.

Ces travaux ont été réalisés à partir d’observations obtenues avec MegaPrime/MegaCam, un projet commun du CFHT et du CEA/DAPNIA, au CFHT, qui est piloté par le NRC du Canada, l’INSU du CNRS, et l’Université d’Hawaii. Ce travail est fondé en partie sur des données produites par TERAPIX et le Canadian Astronomy Data Center, dans le cadre du CFHTLS, un projet commun du NRC et du CNRS.
 

Figure 1

Une des trois régions observées (parties vertes) est située directement à côté de la grande Ourse. La partie agrandie montre quelques étoiles et plus d'une centaine de galaxies faibles. Sa dimension angulaire est de 3 minutes d'arc, à peine plus que la résolution limite de l'œil humain. Deux millions de galaxies ont été détectées au total dans les trois régions observées.

© Canada-France-Hawaii Telescope Corporation 2008

Figure 2

Les observations des lentilles gravitationnelles faibles du CFHTLS réalisées par cette équipe ne sont compatibles qu’avec un petit nombre de modèles cosmologiques. Les astronomes contraignent les paramètres cosmologiques de ces modèles avec les données obtenues en comparant l’amplitude observée de la distorsion lumineuse en fonction de l'échelle angulaire, avec les prédictions théoriques (partie droite de la figure). Le meilleur modèle (ligne continue noire) montre un très bon ajustement avec les données. Un Univers très structuré (en vert) et un Univers « diffus »  (en bleu) sont également représentés par comparaison. Aucun des deux ne reproduit les observations. Des erreurs systématiques (petits cercles noirs), provenant par exemple d’artefacts induits par l’optique du télescope et l’atmosphère terrestre, sont en phase avec le zéro de l’échelle des distorsions à la plupart des dimensions angulaires. Les parties colorées de la partie gauche de la figure représentent les régions « admises » , en accord avec la partie droite, pour les deux paramètres cosmologiques les plus sensibles aux effets des lentilles gravitationnelles : la densité de la matière dans l’Univers, OmegaM et le paramètre caractérisant son degré de structuration, Sigma8.

Cette structuration est le résultat de la gravitation qui tend à concentrer la matière dans des structures denses et compactes. Mais selon la rapidité de l'expansion de l'Univers, et aussi la nature de la matière noire et de l'énergie sombre, cette structuration se construit plus ou moins rapidement. C'est exactement cela que mesurent les distorsions gravitationnelles des très grandes échelles cosmologiques.

Les seules régions admises pour les données du CFHTLS sont montrées en bleu, celles de l’anisotropie du fond diffus cosmologiques de WMAP3 sont en vert et la combinaison des deux en jaune. Les amplitudes permises sont OmegaM = 0.248 ± 0.038 et Sigma8 = 0.771 ± 0.058. Les trames cosmiques possibles de trois Univers correspondants aux courbes bleues, noires et vertes de la partie droite, sont également représentées, chacune illustrant une combinaison différente des paramètres (OmegaM, Sigma8), comme indiqué par les croix.

© Canada-France-Hawaii Telescope Corporation 2008


Références :
Astronomy & Astrophysics Main Journal, A&A 479, 9-25 (2008). Une copie est disponible ici : http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361:20078522