On sait que l’univers est en expansion, c’est-à-dire qu’il s’étire, chaque astre s’éloignant des autres. Mais on ignore encore pourquoi, et aussi pourquoi cette expansion accélère sous l’effet d’une mystérieuse énergie sombre. Dans cet univers en expansion, comment se forment et évoluent les grandes structures sous l’influence de la gravitation ?
Pourquoi la gravitation générée par la matière composant gaz et galaxies de ces structures ne suffit-elle pas ? Existe-t-il une matière invisible à nos yeux, à nos instruments, une matière sombre ?
C’est ce que tentera de mettre en évidence Euclid, une mission inédite de l’Agence spatiale européenne (ESA), qui a quitté la Terre le 1e juillet 2023 et vient de livrer ses premiers clichés, démontrant une netteté sur une importante portion du ciel. La mission Euclid regroupe un consortium de plus de 1 600 personnes, dont 350 en France, réparties dans 250 laboratoires de dix-sept pays.
Remonter le temps pour comprendre l’expansion de l’Univers
Euclid va imager des milliards de galaxies, images qui voyagent à la vitesse de la lumière. Les galaxies seront vues telles qu’elles étaient au moment où leur lumière a été émise, c’est-à-dire dans le passé : plus elles sont éloignées, plus l’image reçue est ancienne. L’expansion, l’allongement de la trame de l’univers provoque également un étirement des spectres de lumière vers les grandes longueurs d’onde, et pour la lumière visible vers le rouge, voire l’infrarouge.
Ce « décalage vers le rouge » permet de déterminer la distance à laquelle se trouve la source et donc indirectement de situer l’époque à laquelle la lumière a été émise (en utilisant par exemple le « diagramme de Hubble »). Euclid déterminera donc les décalages vers le rouge des galaxies qu’il imagera, pour reconstruire l’évolution de notre univers au cours des dix derniers milliards d’années.
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Ainsi, en observant la distribution des galaxies formant les grandes structures de l’univers à différentes époques, Euclid nous aidera à comprendre pourquoi la trame de l’univers est en expansion (et donc pourquoi les objets célestes s’éloignent les uns des autres), mais aussi pourquoi cette expansion accélère sous l’effet d’une mystérieuse « énergie sombre ».
Peut-on voir la matière noire ?
Euclid va aussi nous permettre d’aborder le deuxième grand mystère cosmologique, celui de la « matière noire ». Cette matière inhabituelle est introduite dans les théories astrophysiques pour rendre compte de différentes observations (masses des galaxies et amas de galaxies, fluctuations du fond diffus cosmologique). En d’autres termes, sans matière noire, on n’arrive pas à prédire ce que l’on voit, même avec les théories les plus sophistiquées dont nous disposions sur l’Univers.
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Mais la caractéristique principale de la matière noire est qu’elle interagit très peu avec la matière et la lumière (d’où son nom) : comment, dans ces conditions, peut-on espérer la détecter ? Euclid propose de détecter et localiser la matière sombre de manière indirecte en étudiant son effet gravitationnel sur l’image des galaxies. Pour ce faire, Euclid utilisera le phénomène lentilles gravitationnelles qui « courbent » les rayons lumineux passant dans un champ de gravitation, et ainsi déforment l’image des galaxies le traversant. C’est en étudiant ces déformations d’image qu’il sera possible de reconstituer la matière sombre présente.
Ainsi, Euclid nous permettra de cartographier la non moins mystérieuse « matière sombre » qui participe, avec la matière visible des étoiles et des nébuleuses, aux effets de gravitation qui lient entre elles les étoiles au sein des galaxies et les galaxies au sein des amas.
Euclid observera depuis l’espace pour éviter de regarder à travers l’atmosphère terrestre. En effet, celle-ci est turbulente, ce qui trouble les images et affecte leur résolution ; et le rayonnement infrarouge est très absorbé par les molécules d’eau et de gaz carbonique principalement présentes dans l’atmosphère, ce qui limite fortement la possibilité de réaliser des images et des spectres dans ce domaine de longueurs d’onde. Il imagera tout ce qu’il est possible de voir au-delà de la Voie lactée, soit environ un tiers de la voûte céleste, le reste étant occulté par le plan galactique (disque dans lequel tournent les étoiles de notre galaxie) et par le plan de l’écliptique (disque dans lequel tournent les planètes de notre système solaire).
Le télescope et ses instruments
Le satellite est équipé d’un télescope de type Korsch à 3 miroirs qui offre un grand champ de vue, équivalent à deux fois et demi la surface du disque lunaire. Il a été réalisé par Airbus Defence and Space à Toulouse, entièrement en carbure de silicium (SiC), un matériau très stable en termes de dilatation et de distorsion thermique. Il est maintenu à une température de -140 °C et intègre deux instruments, le NISP et le VIS.
Le NISP (pour near infrared spectro photometer) est un spectro-photomètre infrarouge réalisant en même temps les images des galaxies tout en dispersant leur lumière pour réaliser des spectres. Son grand plan focal de 66 millions de pixels, travaillant dans le proche infrarouge (0,9 à 2 micromètres) et refroidi à -180 °C, offre le plus grand champ de vue infrarouge jamais réalisé pour une mission spatiale. La partie opto-mécanique de l’instrument est également réalisée en SiC. Le NISP est de responsabilité française, réalisé sous la maîtrise d’œuvre du Laboratoire d’astrophysique de Marseille.
Pour suivre l’évolution des structures à différentes époques, les distances seront déterminées par la « méthode des BAO » (oscillations acoustiques de baryons), une méthode permettant d’obtenir une règle standard, un étalon dimensionnel pour mesurer des distances. L’objectif est de traiter 35 millions de galaxies.
Le VIS (visible instrument) est une caméra réalisant des images dans les longueurs d’onde visibles (0,55 à 0,9 micromètre), de responsabilité anglaise, sur laquelle sont présentes 3 contributions françaises, en particulier son immense plan focal totalisant environ 600 millions de pixels (équivalent à 300 téléviseurs HD), le deuxième plus grand jamais réalisé pour une mission spatiale après Gaia, permettant sur une même image de visualiser et de caractériser 50 000 galaxies.
Il est également réalisé en SiC et maintenu à une température de -120 °C. La déformation de certaines images de galaxies sous l’effet de lentilles gravitationnelles faibles induite par les effets de gravitation dus à la présence de matière entre ces galaxies et le télescope permettra de mettre en évidence et de localiser la matière sombre. L’objectif est de traiter un milliard et demi de galaxies.
Les distances seront déterminées en mesurant le « décalage vers le rouge » de chaque source observée par des méthodes spectrométriques (instrument NISP) et photométriques (instrument VIS) issues de mesures de luminosité réalisées à bord et complémentées par l’assistance de télescopes au sol.
Les deux instruments génèreront chaque jour environ 850 Gb de données à transmettre sur Terre. Le satellite intègre une mémoire de masse de 4Tbit stockant données scientifiques et données de télémétrie liées au fonctionnement des instruments. Il envoie chaque jour pendant quatre heures ces données vers la station sol de Cebreros en Espagne qui ensuite les transmet vers le Centre d’Opérations Mission situé au Centre ESOC de l’ESA à Darmstadt en Allemagne.
Cumulé sur les six ans de mission, le volume de donnée à traiter est impressionnant, de l’ordre de 170 millions de gigaoctets. Cela représente plusieurs centaines de milliers de disques durs d’ordinateurs personnels. Le traitement sera réalisé dans neuf centres de traitement, huit en Europe et un aux États-Unis. Pour la France, le centre de calcul de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules, à Villeurbanne réalisera à lui seul le traitement de 30 % des données.
Les laboratoires français impliqués dans le développement d’Euclid sont le Centre de Physique des Particules de Marseille, l’Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon, le Laboratoire AstroParticules et Cosmologie, le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie, l’Institut d’Astrophysique Spatiale, l’Institut d'Astrophysique de Paris, l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, le Laboratoire Joseph-Louis Lagrange, le Laboratoire Astrophysique Instrumentation et Modélisation, le Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique, le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, l’Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l’Univers et le Centre de Calcul de l'Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules.