Matière et énergie noire
Les mirages cosmiques pistent la matière noire















Suivez le télescope spatial Hubble… et découvrez comment il a scruté pendant cinq jours l'amas Cl0024+1664, distant de 4,5 milliards d'années-lumière, en direction de la constellation des Poissons.
© ESA & Hubble/M. Kornmesser, L. L. Christensen














Le phénomène est naturel. Il résulte de la relativité générale d’Einstein. En courbant l’espace la matière infléchit le cheminement des rayons lumineux. Les images de galaxies lointaines s’en trouvent irrémédiablement perturbées. On appelle cet effet un mirage ou bien une lentille gravitationnelle. Yannick Mellier et Bernard Fort, de l’institut d’astrophysique de Paris, ainsi que Geneviève Soucail, de l’observatoire de Toulouse, ont été les premiers, en 1985, à détecter une telle illusion optique en forme de mince arc lumineux. Depuis, le télescope Canada-France-Hawaï voit des distorsions similaires partout. Ces distorsions cartographient la matière noire et les grandes structures de l’Univers.

Éloquentes virgules de lumière
Les mirages cosmiques dessinent comme des anneaux de lumière, ou des systèmes d’arcs étendus, brisés et imbriqués, sur le fond du ciel. Ces mirages cosmiques résultent d’une pure illusion d’optique. Ils se forment autour des objets les plus massifs et les plus denses de l’Univers : les amas de galaxies. Du fait de leur énorme teneur en matière – étoiles mais aussi matière noire - ces amas compacts courbent l’espace. Cet effet est bien décrit par la relativité générale d’Einstein. Mais que se passe-t-il lorsqu’un tel amas vient à se trouver, par hasard, à l’avant-plan d’une galaxie beaucoup plus lointaine ? Une conséquence troublante survient. Les rayons lumineux émis par la galaxie sont infléchis lorsqu’ils passent à proximité de l’amas malicieux. La colossale gravité associée à celui-ci tend à rabattre davantage de lumière vers la Terre. L’image finale de la galaxie vue par les observateurs terrestres en apparaîtra irrémédiablement distordue. Elle deviendra plus brillante, "amplifiée", mais aussi démesurément étirée et démultipliée en un ou plusieurs arcs. Un phénomène a priori gênant. Mais, les astronomes font contre mauvaise fortune bon coeur. Ils mettent à profit ces mirages et utilisent les lentilles gravitationnelles : la masse de l’amas agit à l’instar d’une mauvaise loupe ou d’un gigantesque télescope déformant. On peut littéralement l’étudier, la « peser » et la cartographier à l’aide des très fines distorsions engendrées sur les galaxies lointaines. Une nouvelle branche de l’astrophysique est née. Elle se consacre à l’étude des grandes structures de l’Univers par les modulations qu’elles impriment à la lumière. Signe des temps : une intense compétition internationale s’instaure autour de ce thème de recherche.

"J’anime deux équipes, d’un total de 20 personnes, et nous nous concentrons sur les applications des mirages gravitationnels à la cosmologie. Cela suppose de maîtriser le traitement massif de données qui en découle. C’est la vocation de notre centre de traitement de données appelé "Terapix ", explique Yannick Mellier de l’Institut d’astrophysique de Paris. "Notre groupe s’oriente vers les grands relevés du ciel afin de cartographier les effets de distorsions systématiques subis par les galaxies éloignées. Cela se traduit par des millions d’images et, au total, 30 mille milliards d’octets de données à gérer. Car ces fameuses lentilles gravitationnelles n’en sont plus à leurs balbutiements. On est loin des phénomènes exotiques qui avaient du mal à être reconnus et acceptés il y a près d’un siècle", rappelle Yannick Mellier. "Désormais, il est admis que la force d’attraction de la gravité agit non seulement sur la matière mais aussi sur la lumière : le rayonnement ne se propage plus en ligne droite parfaite. Il est défléchi. Il suit les déformations de l’espace. Les masses proches de la ligne de visée dévient son cheminement. Et du coup, les images des galaxies du bout-du-monde sont modifiées."

Les lentilles gravitationnelles
Le commun des mortels est habitué au mirage qui trompe les voyageurs égarés dans le désert brûlant. Il leur fait percevoir une fausse oasis. Les astronomes fréquentent des chimères similaires. Mais la suite de l’histoire est plus heureuse. Elle étanche leur soif de connaissance.
La première preuve de l’existence de ce type de trompe-l’oeil céleste a été apportée en 1919 : avec l’observation, par le Britannique Arthur Eddington, d’une éclipse de Soleil. Ce jour-là, les étoiles situées à l’arrière-plan de l’astre du jour étaient rendues visibles par l’obscurité temporaire. Et surprise : elles semblaient s’être légèrement déplacées par rapport à leur position normale. En fait, l’énorme masse du Soleil avait infléchi les rayons lumineux… Du coup, les mirages du lointain cosmos ont, aussi, été recherchés. D’abord, ils furent constitués d’images multiples de quasars ponctuels. Le premier, 0957+561 de la Grande Ourse, a été découvert en 1979. Ensuite, sont apparus de fins arcs dus à ce qu’une galaxie étendue d’arrière-plan voit son image étirée par la gravité. Prouesse : l’image torturée contient, en filigrane, de précieux renseignements sur la densité de l’Univers. Les mirages deviennent des outils à sonder la composition intime du cosmos. Leur principe n’est que pure géométrie. Un immense espoir se lève. Les scientifiques aspirent à cartographier – de manière directe – la fameuse masse cachée de l’Univers. Elle s’est longtemps dérobée. On ignore sa nature. Pourtant, les mirages gravitationnels apparaissent comme un moyen inédit de la cerner. Ils ouvrent une fenêtre unique sur la texture profonde - et en très grande partie sombre - du cosmos.

En savoir plus : L'éclipse d'Eddington


Les Français en pôle position
Le second volet de la belle épopée est arrivé en septembre 1985. Yannick Mellier et Bernard Fort ont mis le doigt sur une "pépite" dans la constellation de la Baleine. Une pose de 6 heures a été réalisée avec la première caméra CCD (Charged Coupled Device) mise au point en France puis installée sur le télescope Canada-France-Hawaï de 3,6 mètres de diamètre. Il s’agissait d’étudier l’amas nommé Abell 370. Surprise : le cliché révèle une forme imprévue au milieu des galaxies – un arc long comme 1/50e du diamètre de la Pleine Lune… Il brille deux millions de fois moins que la moindre étoile visible à l’œil nu… C’est le premier arc gravitationnel jamais enregistré. Il faudra de la perspicacité pour confirmer. La galaxie émettrice réside 50 % plus loin que l’amas sis à 4 milliards d’années-lumière de la Terre. L’arc est immatériel. Il ne se compose que de lumière.

Cet arc unique d’Abell 370 sera le début d’une longue série de figures variées : avec des composantes plus ou moins nombreuses, dispersées ou brillantes. Depuis, le télescope spatial Hubble lui-même s’est lancé dans la course. Et, il en a ramené les clichés les plus fouillés et détaillés. A chaque fois, la leçon tirée est similaire : les arcs détectés représentent une déformation de la galaxie sous-jacente. Par le calcul, on reconstruit sa véritable position. Une formule relie la déviation des rayons lumineux (tirée du rayon de courbure des arcs) à la masse en cause. C’est un redoutable moyen de « peser » les amas de galaxies à distance. La matière noire, qui les submerge, est ainsi estimée et auscultée. La multitude d’observations accumulées a abouti au constat suivant : la fameuse masse cachée abonde en quantité 150 fois supérieure à celle de la matière brillante des amas.

Des mirages partout - Le boom !
En corollaire, certains de ces mastodontes de l’Univers se révèlent, au bas mot, cent fois plus denses qu’on ne l’avait imaginé. Ils sont totalement dominés par la matière noire. Du coup, le monde n’est plus qu’une gigantesque illusion. Partout, dans le fond du ciel se produisent de discrets effets de mirages. Leur intensité varie. Ils brouillent notre vue. Mais leur analyse enseigne que le cosmos ne montre qu’une très infime partie de son visage.

Le mouvement est lancé. Cinq équipes dans le monde sont désormais sur la brèche. Il y a de la concurrence. Mais l’équipe de Yannick Mellier et Bernard Fort a pris une bonne longueur d’avance au télescope Canada-France-Hawaï. Ainsi, en l’an 2000, a-t-elle publié la première carte à grande échelle des déformations statistiques subies par les galaxies lointaines. Oublié le « régime fort » et le grand arc d’Abell 370. Une galaxie éloignée n’a pas toujours le bon goût de se trouver alignée avec un amas. Par contre, il s’agit ici de photographier le ciel sur de larges étendues. Des amas se trouveront forcément dans le champ. Et des milliers de galaxies apparaîtront très légèrement distordues autour. C’est le "régime faible". "Individuellement, il serait impossible de déceler le phénomène", explique Yannick Mellier. "Notre approche est différente. Nous étudions les populations de galaxies, leur orientation moyenne dans l’espace et le rapport de leur plus grande à leur plus petite dimension. On en déduit une véritable carte du champ de gravitation local. Cela rappelle les expériences de physique au lycée. Les galaxies correspondent à la limaille de fer dispersée dans un champ magnétique afin d’en visualiser les lignes de force."

Distorsions et matière noire
La carte rendue publique en l’an 2000 couvrait une région de 10 degrés-carrés, ou l’équivalent de vingt pleines lunes. Le travail avait alors été réalisé avec une caméra dotée de 64 millions de points d’image (pixels) et installée au foyer du télescope franco-canadien d’Hawaï (CFH). Depuis, l’équipe française s’est engagée dans un projet encore plus ambitieux. Il s’agit de cartographier une zone vingt fois plus étendue, 200 degrés-carrés, à l’aide de la toute nouvelle caméra Megacam, à 340 millions de pixels, fournie par le CEA. Ceci s’insère dans le programme de legs à la postérité, CFHT Legacy Survey, qui a attribué 500 nuits d’observations pendant cinq ans à des travaux scientifiques très ciblés.

"Au bout du compte, on fera le tri entre les scénarios", précise Yannick Mellier. "D’ores et déjà, nous pouvons éliminer les plus marginaux. Nos résultats recoupent le modèle de concordance. Ce consensus considère que l’Univers se compose de 5% de matière ordinaire, plus 25% de matière noire et 70% d’énergie noire qui accélère l’expansion. Nos données, elles, indiquent que la matière sombre correspond plutôt à un gaz froid. Cela se traduit par le fait que les très grandes structures occupent un poids plutôt moins important dans le cosmos. A l’échelle des centaines de millions d’années-lumière, la matière se concentre davantage dans de grosses nodosités. Elle ne se disperse pas sur de très grandes distances. De même, la matière noire s’accumule préférentiellement dans des superamas géants plutôt que dans de longs filaments ou d’immenses tentures."
Ça n’a l’air de rien. "Mais on accède ainsi à une ribambelle de paramètres sur l’état et le devenir de l’Univers. A terme, on espère déterminer la densité de la matière noire, ses fluctuations, le rapport entre les écarts aux petites et aux grandes échelles. Enfin, la méthode devrait apporter un bonus : la mesure de la quantité d’énergie noire", renchérit Yannick Mellier. "Nous accèderons à l’histoire de la formation des superamas."

Un satellite pour les mirages universels ?
Enjeu : "L’obtention d’une radiographie de l’Univers en profondeur. A travers des mesures de distances, nous allons ajouter la troisième dimension – la profondeur – aux images et obtenir une vision en volume. C’est le projet ultime. Nous remonterons le temps à travers une représentation dynamique du cosmos. Celle-ci se répartira en trois tableaux successifs : il y a 1 milliard d’années, 2 milliards d’années puis 4 milliards d’années."

Au-delà, les télescopes au sol commenceront à montrer leurs limites. Pour poursuivre, les astrophysiciens songent déjà à s’affranchir de l’atmosphère terrestre. C’est le projet de satellite Dune (Dark Universe Explorer). Il est proposé au Centre national d’études spatiales et à l’Agence spatiale européenne pour un envol prévu vers 2012. Cette dernière l’a d’ailleurs recommandé au sein de son programme Cosmic Vision à l’horizon 2015-2025. "L’histoire de l’émergence des structures dans la toile d’araignée cosmique sera retracée sur dix ou vingt plans répartis entre 500 millions et 7 milliards d’années-lumière", reprend Yannick Mellier. "Nous remonterons le passé jusqu’à la moitié de l’âge de l’Univers." Nul ne sait si ce projet de satellite cosmologique Dune sera finalement financé. Mais une certitude demeure. "Il y a près d’un siècle, de petites curiosités du ciel apportaient une belle preuve de la relativité. Les mirages gravitationnels constituent un pilier de la cosmologie. Et ils le resteront sans doute pendant les vingt prochaines années au moins."



Pour en savoir plus :

Les distorsions gravitationnelles pour cartographier l'univers
Francis Bernardeau (CEA) et Yannick Mellier (IAP) - Article paru dans Images de la physique 2003-2004