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La toile cosmique dans l’Univers distant dévoilée pour la première fois par le sondage VIPERS

Le plus grand projet jamais réalisé par les télescopes de l’Observatoire Austral Européen (ESO) pour cartographier l’Univers en trois dimensions vient de se terminer avec la mesure précise de la position de plus de 90,000 galaxies lointaines [1]. La mise à disposition publique des données du sondage spectroscopique VIMOS Public Extragalactic Redshift Survey (VIPERS) le 18 novembre a été l’occasion de la sortie d’une série de résultats de premier plan, qui mettent en lumière l’importance de la structure à grande échelle de l’Univers pour comprendre la cosmologie et la formation des galaxies. Ces travaux ont été menés par une équipe internationale dans laquelle des chercheurs français du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, du Centre de Physique Théorique de Marseille et de l’Institut d’Astrophysique de Paris sont fortement impliqués.

Le sondage spectroscopique VIPERS a été mené pendant 8 ans à partir du spectrographe VIMOS au Very Large Telescope de l’ESO. Le but de ce projet a été de collecter des spectres de galaxies lointaines sur deux grands volumes de l’Univers tel qu’il était entre 5 et 9 milliards d’années après le Big Bang. L’échantillon de galaxies obtenu a révélé de manière très détaillée et pour la première fois à ces époques lointaines comment les galaxies étaient distribuées à grande échelle, révélant une toile cosmique gigantesque, constituée de vides, filaments et nœuds. Cette toile contient l’essentiel du contenu de l’Univers.

Entre les observations de l’Univers primordial obtenues par le satellite Planck de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) et la cartographie détaillée de l’Univers local par le sondage Sloan Digital Sky Survey, les données de VIPERS fournissent un instantané de l’état d’évolution des structures de l’Univers telles qu’elles étaient il y a environ 7 milliards d’années. Elles permettent aux chercheurs de contraindre le processus global de croissance des structures aux grandes échelles ainsi que les processus complexes d’évolution du gaz, capturé dans ces structures filamentaires, et qui représente le réservoir indispensable aux galaxies pour soutenir la formation d’étoiles en leur sein.

L’apport fondamental de VIPERS, comparé aux sondages précédents, est la combinaison de la qualité des spectres mesurés des galaxies, la quantité de données photométriques annexes et la densité numérique sans précédent de galaxies à ces distances, permettant de dépeindre avec une grande précision statistique l’évolution des propriétés des galaxies sur les derniers 10 milliards d’années. Ainsi pour la première fois à des époques aussi reculées de l’histoire de l’Univers, l’équipe VIPERS, en collaboration avec l’équipe de Christophe Pichon, de l’institut d’Astrophysique de Paris, a pu reconstruire la structure filamentaire à grande échelle de la toile cosmique.

Cette analyse, dirigée par Nicola Malavasi et Stéphane Arnouts, doctorant et chargé de recherche CNRS au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille respectivement, a permis de mettre en parallèle les propriétés physiques des galaxies, comme leur masse stellaire ou leur activité de formation d’étoiles, avec leurs positions par rapport aux filaments. Ils ont ainsi pu montrer l’influence des structures à grande échelle sur les propriétés physiques des galaxies. En particulier, les galaxies les plus massives préfèrent le cœur des filaments où elles semblent subir de multiples fusions avec d’autres galaxies lors de leur migration vers les nœuds de la toile cosmique. Les galaxies moins massives quant à elles, restent en périphérie des filaments où elles continuent d’accumuler du gaz, essentiel pour maintenir leur activité de formation d’étoiles. Ce résultat donne une nouvelle perspective pour appréhender les processus de formation et d’évolution des galaxies, en utilisant la toile cosmique comme cadre naturel pour de telles investigations.
En plus de fournir des informations sur l’état d’évolution des galaxies à différentes époques cosmologiques, VIPERS permet de « voir » directement la croissance des structures à l’œuvre, et ce à partir de la mesure de sa dynamique propre. Cette mesure est rendue possible grâce aux décalages spectraux observés, qui sont affectés par la composante radiale de la vitesse des galaxies. La dynamique des galaxies aux grandes échelles a des implications importantes sur notre compréhension du modèle cosmologique et des lois fondamentales de la physique. Le mouvement cohérent des galaxies à grande échelle se superposant à l’expansion de l’Univers, est une conséquence de la croissance des structures et ainsi permet de tester la théorie de la gravitation aux échelles cosmologiques. Les scientifiques se posent en fait une question essentielle pour notre compréhension de l’histoire de l’Univers : si les lois de la gravitation telles qu’elles sont décrites par la Relativité Générale d’Einstein sont différentes aux échelles cosmologiques de l’Univers et sur Terre, l’accélération récente de l’expansion de l’Univers observée ne pourrait-elle pas s’expliquer sans avoir à invoquer la présence de la mystérieuse énergie noire ? VIPERS a réussi à mesurer ces vitesses en observant les déformations qu’elles introduisent le long de la ligne de visée sur la distribution des galaxies formant la toile cosmique. Les mesures réalisées sont en accord avec les prédictions de la Relativité Générale même si elles ne sont pas encore assez précises pour identifier de possibles déviations à ce modèle. Cette analyse, dirigée par Sylvain de la Torre et Eric Jullo, Astronomes-adjoints au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, est pionnière dans l’utilisation de plusieurs sondes cosmologiques en combinant à la fois l’information des vitesses et celle de la déformation faible de l’image des galaxies induite par l’effet de lentille gravitationnelle [2]. Cette stratégie est cruciale pour les futurs sondages spectroscopiques cosmologiques, en particulier pour la mission Euclid de l’ESA qui sera lancé en 2020 et qui permettra de reproduire ces mesures mais avec une très grande précision.

Ces analyses ont été rendues possibles grâce à la connaissance de la distribution tridimensionnelle des galaxies, mais aussi par une analyse extrêmement précise des images haute résolution du sondage CFHTLS fournissant des informations essentielles sur leur morphologie [3]. Un autre pilier de ces travaux est l’imagerie acquise sur une large palette de longueurs d’onde par l’équipe du LAM, conduite par le doctorant Thibaud Moutard et Stéphane Arnouts, notamment en ultraviolet avec le satellite GALEX et dans l’infrarouge proche avec la camera WIRCam installée au CFHT. Ces données analysées au sein du sondage VIPERS-MLS [4] ont permis de connaître avec précision les propriétés des galaxies comme leur masse stellaire et leur taux de formation stellaire. Grâce à tout cela, les données VIPERS permettent de suivre les transformations physiques des galaxies comme cela n’a jamais pu être fait précédemment, durant environ 10 milliards d’années de leur évolution [5].

Membres français de la collaboration VIPERS

Core Team : Christophe Adami, Stéphane Arnouts, Julien Bel, Iary Davidzon, Sylvain de la Torre, Olivier Ilbert, Eric Jullo, Vincent Le Brun, Olivier Le Fèvre, Christian Marinoni, Henry Joy McCracken, Yannick Mellier, Lidia Tasca
Membres associés : Nicola Malavasi, Thibaud Moutard, Carlo Schimd, Vivien Scottez

Laboratoires français impliqués

Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM)
Centre de Physique Théorique de Marseille (CPT)
Institut d’Astrophysique de Paris (IAP)

Images

Distribution spatiale des galaxies dans les deux champs explorés au cours du sondage VIPERS.

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Répartition des galaxies dans le champ W1
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Répartition des galaxies dans le champ W4

Distribution spatiale des galaxies dans les deux champs explorés par relevé VIPERS, les champs W1 et W4 du Canada-France-Hawaii-Telescope Legacy Survey, quand l’Univers avait entre 5 et 9 milliards d’années. Les galaxies sont indiquées par des cercles de taille variable proportionnellement à leur luminosité et les couleurs reproduisent la couleur intrinsèque observée des galaxies. Les galaxies rouges et oranges sont typiquement des galaxies de forme elliptique, dominées par des populations vieilles d’étoiles, et les bleues et vertes correspondent à des galaxies constituées d’étoiles jeunes, typiquement de forme spirale ou irrégulière. Le détail de la distribution des galaxies dans les données VIPERS montre clairement comment déjà à cette époque, les galaxies rouges occupaient préférentiellement les zones denses de la toile cosmique : les filaments et les intersections de filaments, et comment les propriétés des galaxies varient en fonction de l’environnement dans lequel elles vivent.

Distribution spatiale à grande échelle de la matière dans les galaxies du sondage VIPERS.

Cette animation présente la distribution spatiale à grande échelle de la matière tracée par les galaxies du sondage VIPERS. Elle montre un des deux champs qui compose le relevé. Les polygones blancs définissent une partition de l’espace appelée tessellation de Delaunay qui permet de quantifier la densité locale en galaxies, indiquée par la barre colorée. A partir de cette densité mesurée, la structure filamentaire de la toile cosmique est identifiée en utilisant l’algorithme “DisPerSE” développé par Thierry Sousbie et Christophe Pichon, ingénieur de recherche et directeur de recherche CNRS à l’IAP. Les filaments ainsi extraits émergent en vert dans la partie finale de l’animation.
Crédit : ESO

Contacts scientifiques

Sylvain de la Torre, Astronomes-adjoints au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille / Institut Pythéas - sylvain.delatorre@lam.fr / +33 4 95 04 41 69

Stéphane Arnouts, chargé de recherche CNRS au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille / Institut Pythéas - stephane.arnouts@lam.fr / +33 4 91 05 59 24

Notes

[1Scodeggio, M., & VIPERS Team, arXiv : 1611.07048

[2de la Torre S., & VIPERS Team, arXiv : 1612.05647

[3Krywult, J., & VIPERS Team, arXiv : 1605.05502

[4Moutard, T. et al., 2016A&A...590A.102M

[5Haines, C., & VIPERS Team, arXiv : 1611.07050

Contact presse

Thierry Botti

Responsable du Service Communication, Information, Patrimoine et REssources Scientifique de l’OSU Institut Pythéas
Tél : 04 95 04 41 06

thierry.botti@osupytheas.fr