Figure 1 :Carte de matière noire en 2 dimensions estimée par la technique de lentilles faibles. La matière noire est concentrée en touffes denses. Nous pouvons identifier des halos massifs de matière noire (indiqués par des cercles oranges). La zone indiquée sur cette figure est d'environ 30 degrés carrés (un total de 160 degrés carrés a été observé cette fois). La carte de répartition sans les ronds oranges est disponible ici. Crédit :NAOJ/Université de Tokyo
Une équipe de recherche de plusieurs instituts, y compris l'Observatoire astronomique national du Japon et l'Université de Tokyo, a publié une carte de matière noire d'une largeur et d'une netteté sans précédent basée sur les données d'imagerie nouvellement obtenues par Hyper Suprime-Cam sur le télescope Subaru. La distribution de la matière noire est estimée par la technique de lentille gravitationnelle faible (Figure 1, Film). L'équipe a localisé les positions et les signaux de lentille des halos de matière noire et a trouvé des indications que le nombre de halos pourrait être incompatible avec ce que suggère le modèle cosmologique le plus simple. Cela pourrait être un nouvel indice pour comprendre pourquoi l'expansion de l'Univers s'accélère.
Mystère de l'Univers accéléré
Dans les années 30, Edwin Hubble et ses collègues ont découvert l'expansion de l'Univers. Ce fut une grande surprise pour la plupart des gens qui croyaient que l'Univers restait le même pendant toute l'éternité. Une formule reliant la matière et la géométrie de l'espace-temps était nécessaire pour exprimer mathématiquement l'expansion de l'Univers. Par coïncidence, Einstein avait déjà développé une telle formule. La cosmologie moderne est basée sur la théorie de la gravité d'Einstein.
On pensait que l'expansion ralentissait avec le temps (lignes bleues et rouges sur la figure 2) car les contenus de l'Univers (matière) s'attirent mutuellement. Mais à la fin des années 90, il a été constaté que l'expansion s'accélère depuis environ 8 giga années. Ce fut une autre grande surprise qui a valu aux astronomes qui ont trouvé l'expansion un prix Nobel en 2011. Pour expliquer l'accélération, nous devons considérer quelque chose de nouveau dans l'Univers qui repousse l'espace.
La résolution la plus simple est de remettre la constante cosmologique dans l'équation d'Einstein. La constante cosmologique a été introduite à l'origine par Einstein pour réaliser un univers statique, mais a été abandonné après la découverte de l'expansion de l'Univers. Le modèle cosmologique standard (appelé LCDM) intègre la constante cosmologique. L'historique d'expansion à l'aide de LCDM est indiqué par la ligne verte sur la figure 2. LCDM est soutenu par de nombreuses observations, mais la question de savoir ce qui cause l'accélération demeure. C'est l'un des plus gros problèmes de la cosmologie moderne.
Relevé d'imagerie large et profond avec Hyper Suprime-Cam
Figure 2 :Histoire de l'expansion de l'Univers. La ligne bleue montre ce que l'on croyait probable aux premiers jours de la cosmologie. Plus tard, ce modèle cosmologique est tombé en disgrâce car il prédit un taux de croissance plus élevé et plus de structures, incompatible avec la distribution galactique observée. Ainsi un modèle d'Univers beaucoup plus léger a été proposé qui est représenté par la ligne rouge. Ce modèle léger a également résolu le soi-disant "problème d'âge, " l'existence d'amas globulaires plus anciens que l'âge de l'Univers prédit par la piste bleue. Mais les lignes bleue et rouge sont en conflit avec la cosmologie de l'inflation. Plus tard, lorsque l'accélération de l'Univers a été découverte, LCDM représenté par la piste verte, a été adopté comme modèle le plus probable. Grâce à l'ajout de la constante cosmologique, LCDM devient compatible avec le modèle d'inflation. Crédit :NAOJ
L'équipe dirige une étude d'imagerie à grande échelle utilisant Hyper Suprime-Cam (HSC) pour sonder le mystère de l'accélération de l'Univers. La clé ici est d'examiner très attentivement l'histoire de l'expansion de l'Univers.
Au début de l'Univers, la matière était distribuée presque, mais pas tout à fait uniformément. Il y avait de légères fluctuations dans la densité qui peuvent maintenant être observées à travers les fluctuations de température du fond diffus cosmologique. Ces légères fluctuations de matière ont évolué au cours du temps cosmique en raison de l'attraction gravitationnelle mutuelle de la matière, et finalement la structure à grande échelle de l'Univers actuel devient visible. On sait que le taux de croissance de la structure dépend fortement de l'expansion de l'Univers. Par exemple, si le taux d'expansion est élevé, il est difficile pour la matière de se contracter et le taux de croissance est supprimé. Cela signifie que l'histoire de l'expansion peut être sondée à l'inverse par l'observation du taux de croissance.
Il est important de noter que le taux de croissance ne peut pas être bien sondé si nous n'observons que la matière visible (étoiles et galaxies). C'est parce que nous savons maintenant que près de 80 % de la matière est une substance invisible appelée matière noire. L'équipe a adopté la "technique de lentille de gravitation faible".
Figure 3 :Image Hyper Suprime-Cam d'un emplacement avec un halo de matière noire hautement significatif détecté par la technique de lentille gravitationnelle faible. Ce halo est si massif que certaines des galaxies d'arrière-plan (bleues) sont étirées tangentiellement autour du centre du halo. C'est ce qu'on appelle une lentille forte. (Crédit :NAOJ
Cette technique est très exigeante d'un point de vue observationnel car la distorsion de chaque galaxie est généralement très subtile. Des mesures précises de la forme de galaxies faibles et apparemment petites sont nécessaires. Cela a motivé l'équipe à développer Hyper Suprime-Cam. Depuis mars 2014, ils réalisent une étude d'imagerie grand champ à l'aide d'Hyper Suprime-Cam. Au moment d'écrire ces lignes en février 2018, 60 % de l'enquête a été complétée.
Carte de matière noire d'une largeur et d'une netteté sans précédent
Dans cette version, l'équipe présente la carte de la matière noire basée sur les données d'imagerie prises en avril 2016 (Figure 1). Cela ne représente que 11 % de la carte finale prévue, mais il est déjà d'une étendue sans précédent. Il n'y a jamais eu de carte de matière noire aussi nette couvrant une zone aussi étendue.
Les observations d'imagerie sont effectuées à travers cinq filtres de couleurs différentes. En combinant ces données de couleur, il est possible de faire une estimation grossière des distances aux galaxies de faible fond (appelée redshift photométrique). À la fois, l'efficacité de la lentille devient plus importante lorsque la lentille est située directement entre la galaxie lointaine et l'observateur. En utilisant les informations photométriques de décalage vers le rouge, les galaxies sont regroupées dans des bacs à décalage vers le rouge. En utilisant cet échantillon de galaxie groupé, la distribution de la matière noire est reconstruite à l'aide de méthodes tomographiques et ainsi la distribution 3-D peut être obtenue. La figure 4 montre un tel exemple. Les données pour 30 degrés carrés sont utilisées pour reconstruire la plage de décalage vers le rouge entre 0,1 (~ 1,3 G années-lumière) et 1,0 (~ 8 G années-lumière). Au redshift de 1,0, la portée angulaire correspond à 1,0 G x 0,25 G années-lumière. Cette carte de masse de matière noire en 3D est également assez nouvelle. C'est la première fois que l'augmentation du nombre de halos de matière noire au fil du temps peut être observée par observation.
Ce que le nombre de halo de matière noire suggère et perspectives d'avenir
Figure 4 :Un exemple de distribution 3D de matière noire reconstruite via des méthodes tomographiques utilisant la technique de lentille faible combinée aux estimations de redshift des galaxies de fond. Toutes les cartes 3D sont disponibles ici. Crédit :Université de Tokyo/NAOJ
L'équipe a compté le nombre de halos de matière noire dont le signal de lentille est supérieur à un certain seuil. C'est l'une des mesures les plus simples du taux de croissance. L'histogramme (ligne noire) de la figure 5 montre la force du signal de lentille observé par rapport au nombre de halos observés, tandis que la prédiction du modèle est représentée par la ligne rouge continue. Le modèle est basé sur le modèle LCDM standard utilisant l'observation du fond diffus cosmologique comme germe des fluctuations. La figure suggère que le nombre de halos de matière noire est inférieur à ce que l'on attend du LCDM. Cela pourrait indiquer qu'il y a une faille dans LCDM et que nous pourrions avoir à envisager une alternative plutôt que la simple constante cosmologique.
La signification statistique est, cependant, encore limité comme le suggèrent les grandes barres d'erreur (ligne verticale sur l'histogramme de la figure 5). Il n'y a eu aucune preuve concluante pour rejeter LCDM, mais de nombreux astronomes sont intéressés à tester le LCDM car les divergences peuvent être une sonde utile pour percer le mystère de l'accélération de l'Univers. D'autres observations et analyses sont nécessaires pour confirmer l'écart avec une signification plus élevée. Il existe d'autres sondes du taux de croissance et une telle analyse est également en cours (par exemple, corrélation angulaire des formes de galaxies) dans l'équipe pour vérifier la validité du LCDM standard.
Ces résultats ont été publiés le 1er janvier 2018 dans le numéro spécial HSC des Publications de la Société astronomique du Japon. Le rapport s'intitule "Un large échantillon de grappes sélectionnées par cisaillement à partir des cartes de masse à champ large Hyper Suprime-Cam Subaru du programme stratégique S16A".
Figure 5 :Nombre de halos de matière noire par rapport à la force de leur signal de lentille (histogramme noir) et nombre attendu du LCDM et de l'observation CMB la plus récente par le satellite Planck. Crédit :NAOJ/Université de Tokyo
