World of Physics : “Un coffre au trésor pour des décennies”

La grande majorité de l’univers nous est invisible : la soi-disant énergie noire et la matière noire représentent environ 95 % de la masse et de l’énergie totales de l’univers. Avec la mission Euclid, dont le lancement est prévu le 1er juillet 2023, les scientifiques veulent cartographier un tiers du ciel d’ici six ans et ainsi aller au fond de ces phénomènes. Dans une interview avec Welt der Physik, Hans-Walter Rix de l’Institut Max Planck d’astronomie explique comment cette nouvelle carte spatiale est créée et comment elle peut être utilisée scientifiquement.

World of Physics : qu’étudiera la mission Euclid ?

Hans-Walter Rix : L’objectif fondamental d’Euclid est d’explorer l’énergie noire. Nous savons que ce que nous pouvons voir représente moins de cinq pour cent de l’équilibre total de l’énergie et de la matière dans l’univers. Le reste est la matière noire invisible et l’énergie noire. Selon nos idées, l’énergie noire est responsable du fait que l’univers s’étend de plus en plus vite. On ne comprend pas encore ce qu’il y a derrière. Euclid est conçu pour aider à tester diverses hypothèses à ce sujet. De plus, la mission fournira une étude très précieuse du ciel, qui nous aidera à trouver de nombreux nouveaux objets.

Comment voulez-vous exactement aller au fond de l’énergie noire ?

Nous voulons en savoir plus sur l’énergie noire en mesurant précisément à quel point l’expansion de l’univers s’est accélérée au fil du temps. Pour ce faire, nous voulons suivre la formation de la structure dans l’univers. Parce qu’en raison de la force gravitationnelle, il existe une tendance naturelle à l’agglutination dans l’univers. De là, les galaxies, les étoiles et les planètes ont finalement émergé. Mais la matière noire invisible forme aussi des amas. Nous voulons explorer comment l’expansion de l’univers neutralise cette agglomération de matière. Parce que la majeure partie est de la matière noire, nous devons en obtenir une image à différents moments dans le temps, et cela se fait en utilisant quelque chose appelé lentille gravitationnelle.

Pouvez-vous expliquer cet effet plus en détail ?

Par exemple, la lentille gravitationnelle se produit lorsque l’on regarde une galaxie devant laquelle se trouve un amas de masse. La masse déforme l’espace et la lumière émanant de la galaxie est déviée sur son chemin vers l’observateur. Cela signifie que nous voyons l’image déformée : une galaxie qui est en fait complètement ronde sans la masse au premier plan apparaît alors plus en forme de banane. Il y a même des distorsions spectaculaires dans lesquelles les galaxies sont déformées en ce qu’on appelle des anneaux d’Einstein en raison de très grandes masses au premier plan. La plupart du temps, cependant, l’effet de lentille gravitationnelle est extrêmement faible. Nous devons donc mesurer des millions de galaxies afin d’utiliser les distorsions pour déduire la répartition de la matière entre nous et les galaxies.

Pourquoi avez-vous besoin de tant d’enregistrements pour cela ?

Ce n’est que si chaque galaxie était une sphère parfaite que nous pourrions être sûrs qu’il y avait une accumulation de masse dans la direction de la courbure interne. Le problème, cependant, est que les galaxies elles-mêmes n’ont pas une symétrie parfaite. Beaucoup sont en forme de disque, par exemple, et à moins que je regarde un disque exactement perpendiculaire, il ressemble plus à une ellipse. Ainsi, la forme de l’image d’une galaxie résulte de sa forme réelle, de l’angle de vue sur celle-ci et de l’effet de lentille gravitationnelle. Mais puisque nous ne voulons regarder que la distorsion causée par la lentille gravitationnelle, l’influence de la forme et de la projection naturelles doit être éliminée, et pour cela nous avons besoin de statistiques : pour obtenir les images requises de millions de galaxies, Euclide cartographiera une grande partie du ciel.

Comment obtenez-vous des informations sur Dark Energy à partir de cette carte ?

Euclide cartographie le ciel non seulement en deux, mais en trois dimensions : nous mesurons également à quelle distance les galaxies sont de nous et regarderons jusqu’à 10 milliards d’années dans le passé – parce que plus nous regardons profondément dans l’univers, plus nous regardons aussi plus profondément dans le passé. Cette carte tridimensionnelle nous permettra de retracer la formation de la structure dans l’univers sur 10 milliards d’années. Puisque l’énergie noire influence l’expansion de l’univers, nous pouvons également l’utiliser pour tirer des conclusions sur ses propriétés : en évaluant les images, nous obtenons des statistiques de distorsion d’image à différents moments de l’histoire de l’univers. On peut calculer la part de l’effet qui est produite par la matière visible, ce qui reste provient alors de la matière noire. Et nous pouvons comparer ces résultats avec nos prédictions théoriques de distorsion qui découlent de nos hypothèses sur l’énergie noire. Cela signifie que nous pouvons utiliser l’analyse statistique des images pour tester nos hypothèses sur l’énergie noire.

Quelles autres mesures Euclide effectuera-t-il ?

Les mesures de distance dans un univers en expansion sont intéressantes et complexes. C’est parce que l’univers se dilate lorsque la lumière d’un objet vient vers nous. Autrement dit, l’expansion de l’univers conduit effectivement à une augmentation observable de la taille des objets et de leurs distances apparentes. Par conséquent, on peut en apprendre davantage sur l’énergie noire en mesurant et en comparant les distances apparentes d’objets – dont les distances réelles sont connues pour des raisons indépendantes – à différentes distances. Puisque de tels objets existent, nous allons les rechercher avec Euclide et essayer de développer une sorte de règle cosmique avec laquelle nous pourrons déterminer l’influence de l’énergie noire sur l’expansion.

De quels instruments avez-vous besoin pour vos mesures ?

Nous avons d’abord besoin d’images haute résolution des galaxies. Nous mesurons cela à l’aide d’une caméra CCD dans la gamme visible du spectre électromagnétique. Et pour savoir à quelle distance se trouvent les galaxies, nous déterminons leur décalage vers le rouge : En raison de l’expansion de l’univers, la longueur d’onde de la lumière qui nous vient des galaxies augmente, et plus une galaxie est éloignée, plus elle est longue. . Ce décalage de longueur d’onde peut être très bien mesuré dans le proche infrarouge, c’est pourquoi nous avons également un instrument à bord pour cela.

Quel est le calendrier de la mission Euclid ?

Le lancement de la mission était initialement prévu pour mars de cette année, sur un lanceur russe depuis le port spatial de Kourou en Guyane française. Après l’invasion de l’Ukraine par la Russie, ce n’était plus une option. En conséquence, l’Agence spatiale européenne ESA a entamé des négociations avec la société américaine SpaceX. Maintenant, Euclid devrait être lancé le 1er juillet depuis la Floride sur une fusée Falcon 9. Si tout se passe bien, le télescope sera alors en route – comme le télescope spatial James Webb – pendant quelques semaines pour atteindre un point à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre. Une fois qu’Euclid sera en orbite, les tests du système commenceront et la cartographie du ciel commencera à l’automne. Je pense que nous verrons les premières données scientifiques avant Noël.

Quelles données aurez-vous entre les mains dans quelques années que vous n’avez pas maintenant ?

D’une part, nous aurons une base de données pour mieux comprendre ce qu’est et n’est pas l’énergie noire. De plus, dans quelques années, nous aurons entre les mains un catalogue d’objets qui remonte beaucoup plus loin dans le passé et qui a une résolution spatiale beaucoup plus élevée que tout ce qui a été vu auparavant. Personnellement, j’espère que nous pourrons alors suivre les indices fournis par Euclide, par exemple avec le télescope spatial James Webb, et identifier quelque chose comme le premier trou noir de l’Univers. Le catalogue sera simplement un coffre au trésor pendant des décennies, à partir duquel nous pourrons toujours sélectionner des objets intéressants pour une observation plus détaillée.