Projet DESI : démarrage d’une quête de 5 ans pour dévoiler les mystères de l’énergie noire

Astroparticules et cosmologie

La collaboration internationale DESI a amorcé lundi 17 mai, depuis l’observatoire de Kitt Peak aux Etats-Unis, un grand relevé spectroscopique du ciel de 5 ans. Objectifs : cartographier l’Univers en trois dimensions afin d’étudier les propriétés de l’énergie noire, mais aussi tester la gravité aux très grandes échelles. A l’IN2P3, deux laboratoires, le CPPM et le LPNHE, participent à cette aventure.

Après des années de développement et de construction et à l’issue d’une longue période de validation menée de janvier 2020 à fin avril 2021, l’instrument DESI pour « Dark Energy Spectroscopic Instrument », a entamé le 17 mai dernier ce qui sera plus grand relevé spectroscopique du ciel jamais réalisé. Pendant les cinq années que dureront sa mission, il mesurera quelques 30 millions de spectres de galaxies et de quasars qui serviront à cartographier l’Univers en trois dimensions avec une richesse jamais atteinte. DESI est le fruit de la collaboration internationale éponyme, menée par les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et qui implique quelques 500 scientifiques à travers le monde, dont une douzaine, d’hommes et de femmes, chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs ou étudiants du CPPM et du LPNHE.

150 000 spectres par nuits

L’instrument est monté au foyer primaire du télescope Mayall de l’observatoire national de Kitt Peak de la National Science Foundation, rénové pour l’occasion. L’instrument comprend une nouvelle optique qui augmente le champ de vision du télescope et comprend 5 000 fibres optiques robotisées pour recueillir les données spectroscopiques à partir de cibles (galaxies et quasars) réparties dans le champ de vision du télescope. Toutes les 20 minutes, la lumière issue de 5000 galaxies est collectée et transportée par 5000 fibres optiques jusqu'à 10 spectrographes où elle est dispersée puis enregistrée sous forme de spectres sur des capteurs CCD. En une nuit, jusqu’à 150 000 spectres peuvent être ainsi collectés, faisant de DESI une véritable « usine à spectres ».

Photo d'une petite section du plan focal de DESI,
Photo d'une petite section du plan focal de DESI, montrant les positionneurs robotiques uniques en leur genre. Les fibres optiques, qui sont installées dans les positionneurs, sont rétro-éclairées avec une lumière bleue sur cette image. (Crédit: collaboration DESI)

Caractériser l’expansion de l’Univers

Ces spectres (la décomposition de la lumière issue des galaxies cibles en fonction de ses longueurs d’onde) fournissent des informations sur les propriétés des cibles, comme leur composition chimique, leur distance relative et la vitesse avec laquelle elles s’éloignent de la Terre du fait de l’expansion cosmique. Cette dernière propriété est cruciale car elle permet de mesurer le « décalage vers le rouge » des galaxies et de caractériser l’expansion. En effet, au fur et à mesure que l'Univers se dilate, les galaxies s'éloignent les unes des autres et leur lumière est décalée vers des longueurs d'onde plus grandes donc plus rouges. Plus la galaxie est éloignée, plus son décalage vers le rouge est important. En mesurant les décalages vers le rouge des galaxies, les chercheurs de DESI tissent ainsi une nouvelle carte 3D de l'Univers qui permettra de reconstruire l’histoire de l’expansion sur environ 11 milliards d’années et d’apporter de nouvelles informations sur l'influence et la nature de l'énergie noire.

Le début officiel du relevé de 5 ans de DESI fait suite à une période de validation de quatre mois de son instrumentation qui a permis d’obtenir les spectres de quatre millions de galaxies. Le mois d’avril 2021 a été dédié à une répétition en miniature (« le relevé à 1 % ») du relevé de science, qui a permis de tester les procédures d’acquisition des spectres et d’évaluer les algorithmes de sélection des cibles et de traitement des données.

L’IN2P3 impliqué à plusieurs niveaux

Des scientifiques de l’IN2P3 participent à plusieurs niveaux à ce projet exceptionnel. Le CPPM et le LPNHE ont participé à l’intégration et aux tests des spectrographes de DESI, construits en France par la société Winlight. Le LPNHE a également eu en charge la conception, la réalisation et l’installation sur site du système de calibration des spectres, sans lequel l’exploitation scientifique des données de DESI serait impossible, et en assurera la maintenance tout au long du relevé. Les chercheurs et chercheuses de l’IN2P3 sont également impliqués dans la préparation des analyses scientifiques et participent d’ores et déjà à plusieurs projets clefs de la première année du relevé.

Le télescope Mayall avec le système d’étalonnage de DESI fourni par le LPNHE : les 4 boites de lampes de calibration installées sur l'anneau supérieur, et l'écran blanc lambertien fixé au dôme. Image Collaboration DESI
Le télescope Mayall avec le système d’étalonnage de DESI fourni par le LPNHE : les 4 boites de lampes de calibration installées sur l'anneau supérieur, et l'écran blanc lambertien fixé au dôme. (Crédit: collaboration DESI)

Les scientifiques du CPPM sont spécialistes de l'analyse des vides cosmiques et prévoient de poursuivre cette activité pour contraindre le taux de croissance linéaire des structures en utilisant les distorsions dans l’espace des redshifts (une anisotropie dans la distribution des galaxies liée à l’observation du décalage vers le rouge) autour des vides. Ces travaux bénéficieront de l’énorme quantité de données de DESI, qui fourniront un bras de levier sans précédent sur une vaste plage de décalages vers le rouge. Le LPNHE quant-à-lui se focalise sur les analyses des régions d’absorptions Lyman-alpha des quasars avec DESI afin de mesurer l’empreinte laissée dans la distribution de la matière par des ondes acoustiques de baryons au début de l’Univers. Il développe également une nouvelle activité autour de l’étude du « clustering » des galaxies afin de contraindre l’énergie noire et de tester la gravité avec une contribution significative au relevé de galaxies brillantes de DESI.

Consulter le communiqué de presse complet du Berkeley Lab (en anglais)

A propos de la collaboration DESI

La collaboration internationale DESI est pilotée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy américain. Elle rassemble, près de 500 chercheurs de 75 institutions dans 13 pays. La conception des spectrographes est le fruit d’une collaboration entre le Berkeley Lab, le CEA, le CNRS, Aix-Marseille Université ainsi que l’entreprise française Winlight System, spécialisée dans l’optique de précision.

Site web de la collaboration

Contact

Vincent Poireau
DAS Astroparticules et cosmologie
Stéphanie Escoffier
Chercheuse au Centre de physique des particules de Marseille (CPPM)
Christophe Balland
Enseignant-chercheur au Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (LPNHE)
Emmanuel Jullien
Responsable de la cellule communication de l'IN2P3