Première carte tridimensionnelle de la matière noire dans une région de l'Univers

Publié le 9 janvier 2007
Une équipe internationale d'astrophysiciens, conduite par le Britannique Richard Massey, du California Institute of Technology (Caltech), a réalisé, après plusieurs centaines d'heures d'observation avec le télescope spatial Hubble, et le télescope spatial européen XMM une carte tridimensionnelle de la répartition de la matière noire dans une région de l'Univers.

Cette étude, qui a fait l'objet d'une publication dans la revue scientifique Nature, dimanche 7 janvier 2007, dans le cadre d'une collaboration internationale de chercheurs :

du Caltech,
du Jet Propulsion Laboratory,
du Telescope Science Institute,
du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM-CNRS, Université Aix-Marseille 1),
du Laboratoire d'astrophysique des interactions multi-échelles (AIM-CNRS, CEA, Université Paris VII),
de l'Institut d'astrophysique de Paris (IAP-CNRS, Université de Paris VI),
du Département d'astrophysique, de physique des particules, de physique nucléaire et de l'instrumentation associée (Dapnia-CEA).
de l'université d'Ehime (Japon)
de l'université de Waterloo (Canada)
de l'Institute of Astronomy d'Édimbourg (Écosse)

Cette réalisation s'est appuyée sur un projet, baptisé Cosmic Evolution Survey ou COSMOS, dirigé par une équipe d'astronomes dirigée par Nick Scoville, du Caltech, projet qui a consisté en l'étude d'une région du ciel d'environ 1,6 degrés carrés, soit approximativement neuf fois la surface de la Lune vue de la Terre.

Une caméra embarquée sur Hubble a réuni 575 images pour le projet COSMOS, pour un temps d'observation de plus de mille heures, ce qui en fait le plus gros projet réalisé par cet instrument. À cela s'ajoute de nombreuses données réunies par des télescopes terrestres, comme le Subaru et l'Observatoire Canada-France-Hawaii (CFHT), situés au sommet du Mauna Kea (Hawaii), le Very Large Telescope (VLT), situé dans le désert d'Atacama (Chili), et par le télescope à rayons X XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne.

Ces observations et la compilation des données ont permis de déterminer, pour cette région limitée du ciel, la distribution de la matière noire et de la matière « ordinaire » (dite baryonique), et surtout l'évolution de cette distribution sur une période de plusieurs milliards d'années. En effet, l'observation d'objets astrophysiques lointains les montrent tels qu'ils étaient tôt dans l'histoire de l'univers, du fait du temps nécessaire à la lumière qu'ils émettent pour parvenir jusqu'à nous. Les objets les plus lointains observés sont donc vus tels qu'ils étaient lorsque l'univers avait la moitié de son âge actuel.

Les astrophysiciens estiment, à l'heure actuelle, que l'Univers serait composé pour un vingtième seulement de matière baryonique, consistant en étoiles, gaz et poussières, et pour un quart de matière noire, dont la nature reste encore méconnue. À cela s'ajoute une autre forme d'énergie appelée énergie noire, responsable de l'accélération de l'expansion de l'univers, et dont la nature est également mystérieuse.

Les observations se sont appuyées sur une propriété des lois de la relativité générale énoncées par Albert Einstein. Les objets célestes massifs, qu'ils soient lumineux, comme les galaxies, ou invisibles, comme les amas de matière noire, provoquent, aux yeux du télescope observateur, un effet de lentille gravitationnelle sur la lumière provenant des galaxies situées au-delà, c'est-à-dire une déflexion des rayons lumineux qui passent dans leur voisinage, parfois à l'origine d'une amplification de la lumière de sources astrophysiques distantes, à la manière d'une loupe géante. L'étude des déflexions subies par la lumière émise par des sources situées dans la même direction mais à des distances différentes permet alors de reconstituer la répartition de matière baryonique et de la matière noire dans l'univers (l'énergie noire se répartit, elle, de façon totalement uniforme dans l'univers et n'est pas responsable d'effets de type lentille gravitationnelle).

La complexité de cette analyse réside dans le fait qu'elle nécessite de disposer d'images à très haute résolution dans le domaine visible (permettant de mesurer les effets de lentille gravitationnelle), dans le domaine des rayons X (pour observer le gaz chaud situé entre les galaxies et ainsi estimer leur masse), et des données spectroscopiques, indispensables pour mesurer le décalage vers le rouge de la lumières des galaxies et par suite leur distance à la Terre, d'où la nécessité de données issues du télescope spatial Hubble, du télescope à rayons X XMM-Newton, et des grands observatoires terrestres.

Forte de ce succès obtenu grâce aux progrès de l'imagerie spatiale, la communauté internationale des astrophysiciens place désormais de grands espoirs dans les projets à venir, comme le Dark Universe Explorer (Dune) qui, s'il est mené à bien, permettrait un champ d'observation dix mille fois plus étendu que celui du projet Cosmos et balayant la moitié du ciel. Les premières études de faisabilité sur le projet Dune ont commencé en 2005, avec la collaboration du Centre national d'études spatiales (CNES) et devraient être proposés à l'Agence spatiale européenne dans le cadre d'un vaste programme d'observation baptisé Cosmic Vision 2015–2025, susceptible de faire avancer la connaissance de la matière noire et de son rôle dans la formation de l'Univers.