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Paris, 8 janvier 2007

Première carte tridimensionnelle de la distribution de la matière noire dans l'Univers

En analysant le champ COSMOS, le plus grand champ de galaxies jamais observé avec le télescope spatial Hubble, une équipe internationale de scientifiques conduite par des chercheurs de l'Université de Caltech (Etats-Unis) et comprenant des chercheurs de laboratoires associés du CNRS et du CEA(1), a réalisé la première carte tridimensionnelle de la matière noire dans l'Univers utilisant l'effet de lentille gravitationnelle. Cette première historique semble confirmer les théories standard de formation des grandes structures de l'Univers. Cette étude fait l'objet d'une publication dans la revue « Nature » du 7 janvier 2007.

Pour les astronomes, cartographier la répartition de la masse dans l'Univers à partir de sa composante lumineuse est un défi considérable ; un exercice aussi compliqué que de déterminer l'extension d'une ville seulement à partir de clichés aériens pris de nuit. En effet, la matière lumineuse (étoiles, galaxies, gaz ionisé) ne représente seulement qu'un sixième de toute la matière dans l'Univers. Le reste est invisible et composé notamment de cette mystérieuse matière appelée la matière noire.

Néanmoins, malgré la complexité de la tâche, une cartographie tridimensionnelle de l'ensemble de la masse, lumineuse et matière noire, a pu être réalisée pour la première fois dans le champ COSMOS. Une équipe internationale d'astronomes a réalisé cet exploit en utilisant l'effet de lentille gravitationnelle pour mesurer la distribution à grande échelle de la matière. Cette nouvelle carte apporte un gain d'information comparable à ce qu'apportent des cliches d'une ville de jour plutôt que de nuit pour en voir tous les moindres détails.

La carte de la matière noire a été construite en mesurant la forme d'un demi-million de galaxies lointaines. Pour nous atteindre, leur lumière a dû traverser des « champs » de matière noire et les faisceaux de lumière ont été légèrement déformés. Ce phénomène est une conséquence directe de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein qui prédit que la présence importante de masse déforme localement l'Espace-Temps. En conséquence, la trajectoire de particules passant au voisinage de cette concentration de masse est déviée. Les photons, particules associées au rayonnement électromagnétique, n'échappent pas à cette règle. La déformation observée sur les formes des galaxies a donc été employée pour reconstruire la distribution de la masse intervenant le long de la ligne de visée.

Le champ COSMOS couvre une région du ciel grande comme neuf fois la taille de la Lune (1.6 degré carré). Le sondage COSMOS réalisé par Hubble comprend 575 images de la caméra ACS (Advanced Camera for Surveys), correspondant à près de 1.000 heures d'observation. Suite aux observations effectuées avec Hubble, de nombreuses observations complémentaires avec des télescopes au sol (comme le Subaru, le VLT et le CFHT) et dans l'espace (XMM-Newton) ont été réalisées. En particulier, les images multicouleurs du Subaru et du CFHT, ainsi que les milliers de spectres du VLT mesurés avec l'instrument VIMOS ont permis d'estimer la distance des différentes structures permettant ainsi de réaliser cette cartographie en 3 dimensions. Cette carte tridimensionnelle démontre que la matière lumineuse, se concentre le long des régions les plus denses de la matière noire. On peut y identifier un réseau de filaments, se croisant là où se trouvent les amas de galaxies. D'autre part, la cartographie couvre près de la moitié de l'âge de l'Univers et permet donc de suivre l'évolution de la distribution de la matière noire devenant de plus en plus structurée au fil du temps.

« Cartographier la distribution de la matière noire dans l'espace et le temps est fondamental pour comprendre comment les galaxies se sont développées et regroupées au cours du temps . Les résultats obtenus grâce au sondage COSMOS semblent conformes aux théories standard de la formation des grandes structures de l'Univers.» déclare Jean Paul Kneib, chercheur CNRS au Laboratoire d'Astrophysique de Marseille.

Le sondage COSMOS nous révèle ainsi une carte tridimensionnelle de la matière noire dans l'Univers et va permettre de suivre pour la première fois la relation entre la distribution de matière noire et la formation et l'évolution des galaxies. Une telle cartographie de l'Univers par effet de lentille gravitationnelle faible motive d'ores et déjà de futures missions spatiales en cours de développement. On peut donc imaginer que dans les prochaines décennies, c'est l'Univers dans son ensemble qui pourra être cartographié, probablement de manière plus détaillée encore, permettant peut-être ainsi de contraindre l'existence et la nature de l'énergie noire, force insaisissable qui accélérerait l'expansion de l'Univers.

Pour en savoir plus :  voir le communiqué de presse du CEA (www.cea.fr)

3D matière noire

© ESA/NASA

Cartographie tridimensionnelle de la matière noire du champ COSMOS.


Comparaison mat. noire/lumineuse

© ESA/NASA

Comparaison de la carte de la matière noire (en bleu) et de carte de la matière lumineuse (en rouge)



Notes :

1) Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM - CNRS, Université Aix-Marseille 1), Laboratoire d'Astrophysique des Interactions Multi-échelles (AIM - CNRS, CEA, Université Paris VII), Institut d'Astrophysique de Paris (IAP - CNRS, Université de Paris VI), SEDi, CEA.

Contacts :

Chercheurs :
Jean Paul Kneib, CNRS
LAM
T 04 91 05 59 13
jean-paul.kneib@oamp.fr

Alexandre Refregier, CEA
AIM
T 01 69 08 52 18
alexandre.refregier@cea.f

Communication :
Thierry Botti, OAMP
T 04 95 04 41 06
thierry.botti@oamp.fr

Philippe Chauvin, INSU
T 01 44 96 43 36
philippe.chauvin@cnrs-dir.fr

Presse :
Martine Hasler, CNRS
T 01 44 96 46 35
martine.hasler@cnrs-dir.fr


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