Début de la mission scientifique DESI, pour une carte 3D de l’univers et une mesure de l’effet de «l’énergie noire»

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Depuis le début du XXe siècle, notre compréhension de l’univers et de notre place dans celui-ci a radicalement changé. En comprenant que notre système solaire est dans une galaxie parmi d’autres et que notre univers est en expansion, nous avons développé un modèle qui peut expliquer avec une grande précision nos observations de l’univers, comment il a évolué d’une période antérieure, plus chaude et plus dense pour former le réseau de galaxies que nous observons aujourd’hui. Aussi réussi qu’il ait été, il laisse des questions fondamentales sans réponse. Deux d’entre eux concernent le bilan énergétique de l’univers : seulement 5 % environ de sa masse et de son énergie totales peuvent être expliquées par la matière ordinaire ; 27 % est de la matière noire qui ne peut être déduite que par ses effets gravitationnels ; et 68 % est de l’énergie noire, responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers.

DESI, pour plus de lumière

Afin d’en savoir plus sur ces questions, une quête de cinq ans pour cartographier l’univers et percer les mystères de «l’énergie noire» commence officiellement aujourd’hui, le 17 mai, à l’observatoire national de Kitt Peak près de Tucson, en Arizona. Le projet, nommé DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), a pour principale mission de cosmologie  d’étudier la nature de l’énergie noire : comment sa densité d’énergie évolue-t-elle dans le temps et comment affecte-t-elle l’agrégation de la matière ? Pour ce faire, DESI utilisera ses cartes pour mesurer deux effets cosmologiques : les oscillations acoustiques du baryon et les distorsions de l’espace vers le rouge. Les mêmes cartes offriront également d’autres opportunités d’étudier la cosmologie et la physique des galaxies, des quasars et des gaz intergalactiques.

En mesurant avec précision l’histoire de l’expansion au cours des 11 derniers milliards d’années, l’objectif scientifique de DESI est de contraindre les modèles possibles d’énergie noire. Afin d’atteindre cet objectif, DESI mesurera la position et la vitesse de recul d’environ 40 millions de galaxies. Ces galaxies auront été présélectionnées en étudiant des images profondes de la zone d’étude DESI, ou empreinte, prises lors de campagnes d’observation avant le démarrage de DESI. En recueillant la lumière de quelque 30 millions de galaxies, les scientifiques du projet affirment que DESI les aidera à construire une carte 3D de l’univers avec des détails sans précédent. Les données les aideront à mieux comprendre la force répulsive associée à «l’énergie noire» qui entraîne l’accélération de l’expansion de l’univers sur de vastes distances cosmiques.

Les scientifiques sont impatients

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Jim Siegrist, directeur associé pour la physique des hautes énergies au DOE, a déclaré: «Nous sommes ravis de voir le démarrage de DESI, le premier projet d’énergie noire de nouvelle génération à commencer son étude scientifique. Nous félicitons également Berkeley Lab, qui continue d’améliorer nos capacités d’étude de la nature de l’énergie noire, depuis qu’il a dirigé la découverte initiale en 1999. Le Berkeley Lab du DOE a dirigé avec succès l’équipe DESI de 13 pays, y compris des contributions du gouvernement américain, privées et internationales, dans la conception, la fabrication et la mise en service du premier spectrographe multi-objets au monde. La forte collaboration interagences avec la NSF a permis au DOE d’installer et d’exploiter DESI sur son télescope Mayall, ce qui est nécessaire pour mener à bien cette expérience étonnante. Parallèlement à sa mission principale d’études sur l’énergie noire, l’ensemble de données sera utilisé par la communauté scientifique au sens large pour une multitude d’études d’astrophysique».

Qu’est-ce qui distingue DESI des précédents relevés du ciel ? Le directeur du projet, Michael Levi du Berkeley Lab, a déclaré: «Nous mesurerons 10 fois plus de spectres de galaxies que jamais obtenus. Ces spectres nous donnent une troisième dimension. Au lieu d’images bidimensionnelles de galaxies, de quasars et d’autres objets distants, a-t-il expliqué, l’instrument collecte la lumière, ou les spectres, du cosmos de telle sorte qu’il “devienne une machine à remonter le temps où nous plaçons ces objets sur une chronologie qui atteint aussi loin il y a 11 milliards d’années».

“DESI est le plus ambitieux d’une nouvelle génération d’instruments visant à mieux comprendre le cosmos – en particulier, sa composante d’énergie noire”, a déclaré la co-porte-parole du projet Nathalie Palanque-Delabrouille, cosmologiste au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) ). Elle a déclaré que le programme scientifique – y compris son propre intérêt pour les quasars – permettra aux chercheurs d’aborder avec précision deux questions principales : qu’est-ce que l’énergie noire; et le degré auquel la gravité suit les lois de la relativité générale, qui forment la base de notre compréhension du cosmos. “Cela a été un long voyage depuis les premières étapes que nous avons prises il y a près d’une décennie pour concevoir l’enquête, puis pour décider des cibles à observer, et maintenant pour disposer des instruments nous permettant d’atteindre ces objectifs scientifiques”, a déclaré Palanque-Delabrouille, mentionné. “C’est très excitant de voir où nous en sommes aujourd’hui”.

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Le lancement officiel de l’enquête de cinq ans de DESI fait suite à un essai de quatre mois de son instrumentation personnalisée qui a capturé quatre millions de spectres de galaxies – plus que la sortie combinée de toutes les enquêtes spectroscopiques précédentes. L’instrument DESI réside dans le télescope de 4 mètres Nicholas U. Mayall modernisé à l’observatoire national de Kitt Peak, un programme du NOIRLab de la National Science Foundation (NSF). L’instrument comprend de nouvelles optiques qui augmentent le champ de vision du télescope et comprend 5 000 fibres optiques contrôlées par robot pour recueillir des données spectroscopiques à partir d’un nombre égal d’objets dans le champ de vision du télescope.

“Nous n’utilisons pas les plus gros télescopes”, a déclaré David Schlegel du Berkeley Lab, qui est scientifique du projet DESI. «C’est que les instruments sont meilleurs et très fortement multiplexés, ce qui signifie que nous pouvons capturer la lumière de nombreux objets différents à la fois». En fait, le télescope “pointe littéralement 5 000 galaxies différentes simultanément”, a déclaré Schlegel. Chaque nuit, explique-t-il, lorsque le télescope est déplacé vers une position cible, les fibres optiques s’alignent pour collecter la lumière des galaxies lorsqu’elle est réfléchie par le miroir du télescope. De là, la lumière est introduite dans une banque de spectrographes et de caméras CCD pour un traitement et une étude ultérieurs.

«C’est vraiment une usine que nous avons – une usine à spectres », a déclaré Christophe Yeche, responsable de la validation de l’enquête, également cosmologue au CEA. « Nous pouvons collecter 5 000 spectres toutes les 20 minutes. Dans une bonne nuit, nous collectons les spectres de quelque 150 000 objets». “Mais ce n’est pas seulement le matériel de l’instrument qui nous a amenés à ce point – c’est aussi le logiciel de l’instrument, le système nerveux central de DESI”, a déclaré Klaus Honscheid, professeur de physique à l’Ohio State University qui a dirigé la conception du contrôle et de la surveillance de l’instrument DESI. Il attribue des dizaines de personnes dans son groupe et dans le monde qui ont construit et testé des milliers de composants de DESI, dont la plupart sont uniques à l’instrument.

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Les spectres collectés par DESI sont les composantes de la lumière correspondant aux couleurs de l’arc-en-ciel. Leurs caractéristiques, y compris la longueur d’onde, révèlent des informations telles que la composition chimique des objets observés ainsi que des informations sur leur distance relative et leur vitesse. Au fur et à mesure que l’univers s’étend, les galaxies s’éloignent les unes des autres et leur lumière se déplace vers des longueurs d’onde plus longues et plus rouges. Plus la galaxie est éloignée, plus son «redshift» est important. En mesurant les décalages vers le rouge des galaxies, les chercheurs de DESI créeront une carte 3D de l’univers. La distribution détaillée des galaxies sur la carte devrait fournir de nouvelles informations sur l’influence et la nature de l’énergie noire.

“L’énergie noire est l’un des principaux moteurs scientifiques de DESI“, a déclaré le co-porte-parole du projet Kyle Dawson, professeur de physique et d’astronomie à l’Université de l’Utah. “Le but n’est pas tant de savoir combien il y en a – nous savons qu’environ 70% de l’énergie dans l’univers aujourd’hui est de l’énergie noire – mais d’étudier ses propriétés”. L’univers s’étend à un rythme déterminé par son contenu énergétique total, explique Dawson. Alors que l’instrument DESI regarde dans l’espace et le temps, dit-il, “nous pouvons littéralement prendre des instantanés aujourd’hui, hier, il y a 1 milliard d’années, il y a 2 milliards d’années – aussi loin que possible dans le temps. Nous pouvons alors déterminer le contenu énergétique dans ces instantanés et voir comment il évolue”.

DESI, un effort collectif

DESI est soutenu par le DOE Office of Science et par le National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Un soutien supplémentaire à DESI est fourni par la National Science Foundation des États-Unis, le Science and Technologies Facilities Council du Royaume-Uni, la Betty Moore Foundation, la Heising-Simons Fondation, le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Conseil national de la science et de la technologie du Mexique, le ministère de l’Économie de l’Espagne et par les institutions membres de DESI, y compris l’Université Jiao Tong de Shanghai (SJTU). La collaboration DESI mène ses recherches astronomiques sur Iolkam Du’ag (Kitt Peak), une montagne d’une importance particulière pour la nation Tohono O’odham.

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