Première mise en évidence de la matière noire de l'Univers par astigmatisme cosmique

Depuis longtemps les astronomes soupçonnent que 90% de la masse de l'Univers est constituée de matière sombre, n'émettant pas de lumière, et dont la nature reste mystérieuse. Les grands relevés astronomiques habituels ne permettent que de cartographier la partie visible de l'univers, les galaxies, qui ne constituent donc que la fraction émergée de la distribution de matière à grande échelle.
Une équipe française a annoncé la première détection directe de matière noire par effet d'astigmatisme gravitationnel cosmique. En effet,les hétérogénéités de la répartition de matière à grande échelle perturbent, à la manière de vastes lentilles, les trajectoires des rayons lumineux. Les objets lointains comme les galaxies nous apparaîssent alors légèrement déformés, trahissant les concentrations de matière qui peuvent se trouver à proximité des lignes de visée. C'est ce phénomène, l'astigmatisme cosmique, qui a été mis évidence pour la première fois sur des clichés très profonds de galaxies.
Pour y parvenir, les chercheurs ont analysé des images astronomiques obtenues avec le Télescope Canada-France-Hawaii (CFHT) puis avec le Very Large Telescope (VLT) de l"European Southern Observatory au cours des deux dernières années et mesuré les formes moyennes d'environ 250,000 galaxies lointaines réparties sur 2.5 degrés carrés soit environ 17 fois la taille de la pleine lune). Ils ont constaté que celles-ci sont alongées de manière cohérente sur de grandes échelles angulaires. La précision avec laquelle cette petite déformation résiduelle (de l'ordre du pourcent) a été mise en évidence ne permet qu'une explication: il s'agit bien de l'effet d'astigmatisme gravitationnel par la matière noire, prédit et recherché depuis une dizaine d'année. Ce résultat a été aussitôt partiellement confirmé par trois autres équipes, l'une anglaise et les deux autres américaines, qui retrouvent sur des données indépendantes un des points de mesure de l'équipe francaise.


L'équipe à l'origine de cette mesure regroupe L. van Waerbeke (IAP et Canadian Institute for Theoretical Astrophysique, Toronto, Canada), Y. Mellier, R. Maoli, E. Bertin, B. Fort, E. Dantel-Fort (Institut d'Astrophysique de Paris et Observatoire de Paris/DEMIRM), F. Bernardeau (Service de Physique Théorique, CEA, Saclay), J.-C. Cuillandre (Canada-France-Hawaii Telescope, USA), T. Erben et P. Schneider (Max Planck Institute fur Astrophysik, Garching, Germany), H. Mc Cracken et O. Le Fèvre (Laboratoire d'Astronomie Spatiale, Marseille) et B. Jain (Johns Hopkins University, Baltimore, USA)

Illustration des effets d'astigmatisme cosmique. La figure 1 est une simulation numérique qui montre la distribution de la matière noire dans un grand volume de notre Univers. La taille de la boite est d'environ 1 milliard d'années-lumiere. Plus la zone est brillante, plus la densité de matière noire est grande. La matière noire se concentre selon une immense toile qui relie des regions très denses ou se forment les amas de galaxies. Sur la partie en arrière plan du cube nous avons disposé trois petites images bleues qui représentent trois galaxies très lointaines. Les traits jaunes illustrent les trajectoires que parcourt la lumière de ces trois galaxies en traversant cet immense volume. En l'absence de matière, ces traits seraient des lignes droites; la présence de matière noire dans l'Univers perturbe la trajectoire de la lumière, qui suit alors un parcours compliqué, et déforme l'image de l'objet. La plupart du temps la lumière traverse l'Univers sans rencontrer d'amas de galaxies, qui peuvent fortement déformer les images. A proximité de l'observateur, representée par l'avant plan de la boite, la déformation est donc en général faible et l'observer est très difficile. L'équipe francaise est cependant parvenue à mesurer cette déformation.
Pour illustrer ce que verrait sur le ciel un observateur, il suffit de faire face à la partie en avant-plan de la boite et d'imaginer que nous faisons face au ciel nocturne. C'est ce que montre la figure 2. En bleu, sont superposées des images de galaxies lointaines dont la lumière a traversé l'Univers. C'est la partie visible de l'image pour l'observateur. En rouge et blanc sont representés les longs filaments de matière noire. Cette partie est donc invisible, meme avec les plus grands télescopes. On voit que les images des galaxies ont une orientation privilégiée, parallèle à l'orientation des filaments de la matière noire. Ce phénomène est produit par l'effet de lentille gravitationnelle. Ainsi, en mesurant la forme et l'orientation des galaxies lointaintes on peut parvenir a ``voir'' la matière noire. C'est l'objectif ultime de l'équipe francaise et aussi un des programmes prioritaires de la grande camera MegaCam qui sera installée au CFHT en 2002. (Simulation numérique faite et aimablement communiquée par S. Colombi, Institut d'Astrophysique de Paris).
Le survey de l'équipe francaise comprend 5 champs observés au CFHT (régions roses) et 45 champs au VLT, à l'intérieur des trois rectangles rouges.

Reference: "Cosmic Shear and Clusters of Galaxies", Mellier Y., van Waerbeke L., Erben T., Schneider P., Bernardeau F., Jain B., Bertin E., Maoli R., Fort B., Dantel-Fort M., Cuillandre J-C., Mc Cracken H., LeFevre O. astro-ph/0010008.