Le 1er juillet 2023, Euclid, un télescope spatial européen unique, a été lancé depuis Cap Canaveral. Le lancement a sans aucun doute été le point culminant de ma carrière d’astronome, mais être témoin du résultat d’années de travail sur une fusée n’est pas pour les âmes sensibles. Après un lancement parfait, Euclide est rapidement arrivée sur son orbite prévue, à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre. Depuis ce point d'observation éloigné, il a commencé à renvoyer des images nettes qui couvriront près d'un tiers du ciel d'ici la fin de cette décennie.
Euclide est la prochaine grande étape dans notre quête pour tenter de comprendre l’univers. Au cours du siècle dernier, nous avons réalisé d’énormes progrès. Nous avons appris que la fusion de l’hydrogène en hélium alimente des étoiles comme notre soleil, tandis que la plupart des atomes de notre corps ont été forgés dans le noyau d’étoiles qui ont depuis explosé. Nous avons découvert que la galaxie est l’une des nombreuses galaxies qui tracent d’énormes structures semblables à de la mousse qui imprègnent le cosmos. Nous savons maintenant que l'univers a commencé il y a environ 13,6 milliards d'années avec un « Big Bang » et qu'il n'a cessé de s'étendre depuis.
Il s’agit là de réalisations majeures, mais à mesure que nous en apprenons davantage, il est également devenu clair qu’il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons pas. Par exemple, on pense que la majeure partie de la masse est constituée de « matière noire », une nouvelle forme de matière qui n’est pas expliquée par le modèle standard par ailleurs très réussi de la physique des particules. L’attraction gravitationnelle de toute cette matière devrait ralentir l’expansion de l’univers, mais il y a environ 25 ans, nous avons constaté qu’elle s’accélérait en réalité. Cela nécessite un composant encore plus mystérieux. Pour refléter notre ignorance – à ce jour, aucune bonne explication physique n’existe – nous l’appelons « énergie noire ». Ensemble, la matière noire et l'énergie noire constituent 95 % de l'univers, mais nous ne comprenons pas leur nature.
Ce que nous savons, c’est que les deux composantes sombres influencent la formation de grandes structures. La gravité de la matière noire aide à rassembler la matière dans des galaxies ou des objets encore plus grands. En revanche, l’énergie noire sépare les choses, contrecarrant ainsi efficacement l’attraction gravitationnelle. L’équilibre entre les deux évolue à mesure que l’univers s’étend, l’énergie noire devenant de plus en plus dominante. Les détails dépendent de la nature des composantes sombres, et la comparaison avec les observations permet de distinguer différentes théories. C’est la principale raison pour laquelle Euclid a été lancé. Il cartographiera la manière dont la matière est distribuée et son évolution au fil du temps. Ces mesures peuvent fournir les conseils indispensables qui mèneront à une meilleure compréhension du côté obscur de l'univers.
Mais comment pouvons-nous étudier la répartition de la matière, si la majeure partie de celle-ci est constituée de matière noire invisible ? Heureusement, la nature nous a fourni une solution pratique :la théorie de la relativité générale d'Einstein nous dit que la matière courbe l'espace qui l'entoure. Des amas de matière noire révèlent leur présence en déformant les formes de galaxies plus lointaines, tout comme les vagues à la surface d'une piscine déforment le motif des carreaux au fond.
Compte tenu de la similitude avec les lentilles optiques ordinaires (la physique est différente, mais les mathématiques sont les mêmes), la courbure des rayons lumineux par la matière est appelée lentille gravitationnelle. Dans de rares cas, la courbure est si forte que plusieurs images de la même galaxie peuvent être observées. La plupart du temps, cependant, l’effet est plus subtil, modifiant très légèrement la forme des galaxies lointaines. Néanmoins, si nous faisons la moyenne des mesures d'un grand nombre de galaxies, nous pouvons découvrir des modèles dans leurs orientations qui ont été imprimés par la distribution intermédiaire de la matière, à la fois régulière et sombre.
Ce signal de « lentille faible » n'est peut-être pas si spectaculaire, mais il nous fournit un moyen direct de cartographier la répartition de la matière dans l'univers, en particulier lorsqu'il est combiné avec les distances aux galaxies dont les formes ont été mesurées. Le potentiel de cette technique a été reconnu au début des années 90, mais il était également clair que les mesures seraient difficiles. Les turbulences dans l'atmosphère brouillent notre vision des galaxies faibles, petites et lointaines que nous souhaitons utiliser, tandis que les imperfections de l'optique du télescope modifient inévitablement les formes observées des galaxies. La communauté astronomique était donc sceptique quant à la faisabilité technique. C'était la situation lorsque j'ai commencé mon doctorat. en 1995, lorsque je me suis lancé dans un voyage pour leur prouver qu'ils avaient tort.
Au fil des années, en utilisant des ensembles de données toujours plus volumineux collectés avec des télescopes au sol, nous avons découvert et résolu de nouveaux problèmes. En me basant sur les observations du télescope spatial Hubble lancé en 1990, mes travaux de thèse avaient déjà montré que mesurer partiellement des formes est bien plus facile depuis l'espace. Cependant, jusqu'à l'arrivée d'Euclide, les télescopes spatiaux ne pouvaient observer que de minuscules parcelles de ciel :le James Webb Space Telescope (JWST), lancé en 2021, voit l'équivalent d'un grain de sable à bout de bras. Cependant, pour réellement tester la nature de l’énergie noire, nous devons couvrir une surface 6 millions de fois plus grande. C'est ce qui a conduit à Euclide, un télescope unique, conçu pour fournir des images nettes de 1,5 milliard de galaxies, ainsi que des informations sur la distance de celles-ci. Comme le montre la figure 2, en un seul plan, nous observons une zone plus grande que la pleine lune.
Ces données sont complétées par des distances précises pour environ 25 millions de galaxies afin de cartographier de manière très détaillée la répartition des galaxies lointaines.
Lorsque j’ai commencé mon parcours dans ce domaine de recherche, l’énergie noire n’avait pas encore été découverte, et peu de gens pensaient que les lentilles faibles seraient un outil majeur pour étudier la distribution de la matière. Comme les choses ont changé. Le lancement d’Euclide en est sans doute la démonstration la plus spectaculaire. Depuis 2011, alors que le projet était encore à l'étude par l'Agence spatiale européenne (ESA) dans le cadre de son programme Cosmic Vision, je suis l'un des coordinateurs de cosmologie d'Euclide. Cela signifie que j'étais chargé d'établir les principales caractéristiques de la mission, notamment celles relatives aux lentilles gravitationnelles faibles. Cela impliquait de préciser la netteté des images et la précision avec laquelle nous devons mesurer la forme des galaxies. Le travail impliquait également des interactions fréquentes avec l'Agence spatiale européenne (ESA) pour clarifier les objectifs scientifiques et déterminer comment gérer les nouvelles connaissances.
Grâce au travail acharné d’une grande équipe d’ingénieurs et de scientifiques, nous avons réussi à surmonter les nombreux obstacles techniques. Nous avons poursuivi notre collaboration pendant une pandémie, mais nous avons perdu la fusée prévue à cause de l’invasion russe de l’Ukraine – le lancement d’Euclide était prévu sur une fusée Soyouz. Remarquablement, l’ESA a rapidement trouvé une solution :un lancement sur un Falcon 9 par SpaceX. En conséquence, je me suis retrouvé en Floride pour assister à ce qui était sans doute le point culminant de toutes mes recherches jusqu'à présent.
Depuis, c’est un voyage en montagnes russes. Les premières images prises en juillet étaient plus bruyantes que prévu, en raison de la lumière du soleil qui pénétrait dans l'appareil photo. Cela aurait pu constituer un problème sérieux, mais le coupable le plus probable – un propulseur saillant qui reflétait la lumière du soleil sur l'arrière du pare-soleil – a été rapidement identifié, tout comme la solution. En faisant légèrement pivoter le vaisseau spatial, le propulseur pourrait être placé dans l’ombre du satellite. Cela impliquait cependant une refonte complète de la planification de l'enquête.
Les problèmes ne se sont pas arrêtés là. Le rayonnement solaire pousse continuellement Euclide un peu, ce qui est compensé par des propulseurs qui maintiennent le télescope complètement stable. Ce n’est qu’à ce moment-là que nous pourrons prendre les photos nettes dont nous avons besoin. Cependant, des particules énergétiques du soleil ont interféré avec le système de stabilisation, provoquant de légères secousses du télescope. Cela a été résolu avec une mise à jour du logiciel. Plus récemment, l'accumulation de glace à l'intérieur du télescope a suscité des inquiétudes, mais ce problème a également été résolu avec succès.
Pour donner au monde une idée de son potentiel, quelques « premières observations » d'objets photogéniques ont été publiées en novembre. Celui qui se rapproche le plus de mes recherches est celui de l’amas de Persée (Figure 1). En plus des grandes galaxies jaunâtres qui font partie de cet amas massif de matière, Euclide fournit des images détaillées de 50 000 autres galaxies. Ce niveau de détail est ce dont j'ai besoin pour mes recherches, mais pour l'instant je n'ai que 800 images sur 25 000 ! Cela a commencé :le 15 février 2024, Euclide a commencé son étude principale et au cours des 2200 prochains jours, elle continuera à photographier le ciel. Cette grande quantité de données constituera un trésor pour les astronomes – et pour le monde entier – dans les années à venir. Par exemple, nous pouvons étudier en détail la structure de centaines de galaxies proches, comme IC 342 (Figure 3). Ces images ne sont qu'un avant-goût de ce que l'avenir nous réserve.
Fourni par The Conversation
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