mardi 10 avril 2018

Les filaments cosmiques révélés par les distorsions du fond diffus cosmologique


Une cartographie inédite des filaments de matière constituant l'Univers vient d'être produite grâce à l'observation de très faibles effets de lentille gravitationnelle sur la lumière du fond diffus cosmologique. 




La matière noire forme de gigantesques filaments de matière qui s'étendent sur des centaines de millions d'années-lumière et qui se croisent et s'entrecroisent. C'est au niveau de ces noeuds que résident de grands amas de galaxies peuplés de centaines ou de milliers de galaxies. Ce tableau s'est révélé petit à petit depuis le début des années 2000 par les grands relevés comme le 2-Degree-Field Survey (2dF), le Sloan Digital Sky Survey (SDSS), le 6-Degree-Field Survey (6dF), le Galaxy And Mass Assembly survey (GAMA) ou le VIMOS Public Extragalactic Redshift Survey (VIPERS)

Siyu He (Carnegie Mellon University) et ses collègues, eux, plutôt que d'analyser la densité en  amas de galaxies comme ce qui était fait dans les grands relevés galactiques, ont analysé des données provenant d'encore plus loin que les premières galaxies, la lumière du fond diffus cosmologique et il leur ont appliqué des algorithmes de reconnaissance d'image avancés pour identifier les très faibles effets gravitationnels qui viennent distordre très légèrement les fluctuations qui y sont visibles. 
Les chercheurs parviennent ainsi à reconstruire une cartographie détaillée de la toile cosmique et de ses filaments de matière (noire pour l'essentiel) qui forment la structure à grande échelle de l'Univers.
Les propriétés de ces filaments vont permettre de mieux comprendre différents effets associés non seulement à la matière noire mais aussi à l'énergie noire et pourraient aider les chercheurs à tester la théorie de la Relativité Générale. La structure observée de ces filaments pourrait aussi fournir des indices importants pour résoudre le problème de la matière baryonique (ordinaire) qui est encore aujourd'hui invisible, et qui représente presque la moitié de toute la matière baryonique devant peupler l'Univers.

Siyu He et ses collaborateurs ont exploité directement les données du satellite Planck et ses cartographies du fond diffus cosmologique (CMB). Leurs algorithmes de reconnaissance d'images leur ont permis de déceler les effets de distorsions très faibles produits par la présence de matière sur le long trajet des photons. 
Les chercheurs s'attendaient à voir les plus grosses déviations autour des amas de galaxies, formant comme des points sur la cartographie. Et ils se doutaient qu'ils devaient voir également des filaments venant connecter les points entre eux. C'est ce qu'ils ont réussi à mettre en évidence grâce à des techniques statistiques élaborées et à des comparaisons avec des simulations, notamment pour traquer les erreurs de mesure.
L'équipe de Siyu He observe dans l'article qu'ils publient dans Nature Astronomy aujourd'hui que les filaments évoluent en fonction du redshift (de la distance) : la compétition entre expansion cosmique et gravitation peut comprimer ou étirer les filaments de matière, dont la longueur atteint plusieurs centaines de millions d'années-lumière. Les filaments sont connus pour avoir évolué de manière non-linéaire à partir des fluctuations de densité produites dans l'Univers primordial.
La forme de ces filaments (leur largeur en fonction de leur longueur) dépend de paramètres liés à la constante cosmologique (ou énergie noire), il est donc important de connaître à la fois leurs dimensions et leur localisation. Mais c'est surtout la traque des baryons manquants qui pourrait bénéficier de ce type d'observations à l'avenir lorsqu'elles seront couplées à d'autres types d'observations. Les filaments recèlent sans doute le secret de la majorité de ce gaz qui peuple le milieu intergalactique et qui a, jusqu'à aujourd'hui encore, échappé à nos observations...


Source

The detection of the imprint of filaments on cosmic microwave background lensing
Siyu He, Shadab Alam, Simone Ferraro, Yen-Chi Chen & Shirley Ho
Nature Astronomy (9 avril 2018)


Illustrations 

1) Illustration de l'analyse effectuée sur la lumière du CMB pour révéler les filaments de matière (Siyu He, Shadab Alam, Wei Chen, and Planck/ESA)

2) Evolution des filaments de matière en fonction du redshift (entre 0,1 et 0,7)