En lumière visible ordinaire, cet amas de galaxies ne ressemble pas beaucoup. Il y a de plus grandes grappes avec des galaxies plus grandes et d'apparence plus dramatique. Mais cette image a plus que des galaxies, même à la lumière visible. La gravité de la grappe amplifie et déforme la lumière qui passe à proximité, et la cartographie de cette déformation révèle quelque chose à propos d'une substance qui nous est habituellement cachée: la matière noire.
Cette collection de galaxies est connue sous le nom de «groupe de balles» et sa matière noire a été détectée à l'aide d'une méthode appelée «lentille gravitationnelle faible». En traquant les distorsions à la lumière lorsqu'elle traverse la grappe, les astronomes peuvent créer une sorte de carte de la masse dans le groupe, où les «collines» sont des lieux de forte gravité et les «vallées» sont des lieux de faible gravité. La raison pour laquelle la matière noire - la substance mystérieuse qui constitue la majeure partie de la masse dans l'univers - est si difficile à étudier est due au fait qu'elle n'émet ni n'absorbe pas de lumière. Mais il a effectivement une gravité et il apparaît donc sur une carte topographique de ce type.
Le cluster Bullet est l’un des meilleurs endroits pour observer les effets de la matière noire, mais ce n’est qu’un seul objet. Une grande partie de la puissance réelle de la lentille gravitationnelle faible implique de regarder des milliers, voire des millions de galaxies couvrant de vastes étendues du ciel.
Pour ce faire, nous avons besoin de grands télescopes capables de cartographier le cosmos en détail. L'un d'entre eux est le grand télescope de levé synoptique (LSST), qui est en construction au Chili et devrait être opérationnel d'ici 2022 et se poursuivre jusqu'en 2032. Il s'agit d'un projet ambitieux qui aboutira à la création d'une carte topographique de l'univers.
"[LSST] va observer environ la moitié du ciel sur une période de dix ans", a déclaré la directrice adjointe du LSST, Beth Willman. L'observatoire a «un large éventail d'objectifs scientifiques, allant de l'énergie sombre et de la lentille faible [gravitationnelle] à l'étude du système solaire, en passant par l'étude de la Voie lactée et l'étude de la façon dont le ciel nocturne change avec le temps».
Représentation artistique du grand télescope synoptique, actuellement en construction au Chili (Michael Mullen Design, LSST Corporation) Pour étudier la structure de l'univers, les astronomes ont recours à deux stratégies de base: approfondir et élargir. Le télescope spatial Hubble, par exemple, permet d’approfondir en profondeur: sa conception lui permet de rechercher certaines des galaxies les plus faibles du cosmos. LSST, en revanche, ira loin.
«La taille du télescope lui-même n'est pas remarquable», déclare Willman. Le LSST aura un diamètre de 27 pieds, ce qui le place dans la moyenne gamme des télescopes existants. "La partie unique de l'instrumentation du LSST est le champ de vision de sa caméra, qui est environ 40 fois la taille de la pleine lune." En revanche, un télescope normal de la même taille que le LSST observez une partie du ciel inférieure à un quart de la taille de la lune.
En d’autres termes, le LSST associera le type d’image grand angle du ciel obtenu avec un appareil photo numérique classique à la profondeur de vision fournie par un grand télescope. La combinaison sera à couper le souffle, et tout cela grâce au design unique du télescope.
Le LSST utilisera trois grands miroirs, la plupart des autres grands télescopes utilisant deux miroirs. (Il est impossible de concevoir des objectifs aussi grands que les astronomes nécessaires. La plupart des observatoires utilisent donc des miroirs, qui peuvent techniquement être conçus pour toutes les tailles.) 3, 2 milliards de pixels.
Willman a déclaré: "Une fois installé et déployé dans le ciel, ce sera la plus grande caméra utilisée pour les observations optiques astronomiques."
Alors que les caméras ordinaires sont conçues pour recréer les couleurs et les niveaux de lumière pouvant être perçus par l'œil humain, les caméras de LSST «verront» cinq couleurs. Certaines de ces couleurs chevauchent celles observées par les cellules de la rétine dans nos yeux, mais elles incluent également la lumière dans la partie infrarouge et ultraviolette du spectre.
Après le Big Bang, l'univers était un fouillis de particules. Bientôt, ce bourbier se refroidit et s’étend au point où les particules peuvent commencer à s’attirer, se collent pour former les premières étoiles et galaxies et forment un immense réseau cosmique. Les jonctions se sont développées en grandes amas de galaxies, reliés par de longs filaments minces et séparés par des vides presque vides. Du moins, c'est ce que nous supposons le mieux, selon des simulations informatiques qui montrent à quel point la matière noire devrait s'agglutiner sous l'effet de la gravité.
Une lentille gravitationnelle faible s'avère être un très bon moyen de tester ces simulations. Albert Einstein a montré mathématiquement que la gravité affecte le trajet de la lumière, la tirant légèrement hors de son mouvement rectiligne. En 1919, l'astronome britannique Arthur Eddington et ses collègues ont mesuré avec succès cet effet, qui constituait le premier grand triomphe de la théorie de la relativité générale d'Einstein.
La quantité de lumière courbée dépend de la force du champ gravitationnel rencontré, qui est régi par la masse, la taille et la forme de la source. En termes cosmiques, le soleil est petit et de masse réduite, il ne laisse donc que peu de lumière. Mais les galaxies ont des milliards et des milliards d'étoiles, et des amas de galaxies, comme le groupe Bullet, sont composés de centaines, voire de milliers, de galaxies, ainsi que de nombreuses plasmas chauds et de la matière extrêmement noire, et l'effet cumulatif sur la lumière peut être très important. (Fait amusant: Einstein ne pensait pas que la lentille serait utile, puisqu'il n'y pensait qu'en termes d'étoiles, pas de galaxies.)
Une carte de matière noire, créée par des astronomes japonais utilisant un objectif faible (Satoshi Miyazaki, et al.) Les lentilles gravitationnelles fortes sont produites par des objets très massifs qui occupent relativement peu de place; un objet ayant la même masse mais étalé sur un volume plus important détournera toujours la lumière, mais pas de manière aussi spectaculaire. Ce sont des lentilles gravitationnelles faibles, appelées habituellement «lentilles faibles», en substance.
Chaque direction que vous regardez dans l'univers, vous voyez beaucoup de galaxies. Les galaxies les plus éloignées sont peut-être trop faibles pour être vues, mais nous voyons encore une partie de leur lumière filtrer à travers l'arrière-plan. Lorsque cette lumière atteint une galaxie ou un groupe de galaxies plus proche sur son chemin vers la Terre, une lentille faible rendra cette lumière un peu plus brillante. C'est un petit effet (c'est pourquoi nous disons «faible», après tout), mais les astronomes peuvent l'utiliser pour cartographier la masse dans l'univers.
Les quelque 100 milliards de galaxies de l’univers observable offrent de nombreuses possibilités pour la lentille faible, et c’est là que des observatoires comme le LSST entrent en jeu. Contrairement à la plupart des autres observatoires, le LSST examinera de grandes zones du ciel selon un schéma défini, plutôt que de laisser les astronomes dictent où pointe le télescope. En cela, il ressemble au Sloan Digital Sky Survey (SDSS), l'observatoire pionnier qui profite aux astronomes depuis près de 20 ans.
Un objectif majeur de projets tels que SDSS et LSST est le recensement de la population galactique. Combien de galaxies sont là-bas et quelle est leur taille? Sont-ils dispersés au hasard dans le ciel ou tombent-ils dans des schémas? Les vides apparents sont-ils réels - c'est-à-dire des endroits avec peu ou pas de galaxies?
Le nombre et la répartition des galaxies donnent des informations sur les plus grands mystères cosmiques. Par exemple, les mêmes simulations informatiques décrivant le Web cosmique nous indiquent que nous devrions voir plus de petites galaxies que ce qui apparaît dans nos télescopes, et une lentille faible peut nous aider à les trouver.
De plus, la cartographie des galaxies est un guide de l’énergie noire, nom que nous donnons à l’accélération de l’expansion de l’univers. Si l’énergie noire a été constante tout le temps ou si elle a des forces différentes selon les endroits et les époques, le réseau cosmique devrait en tenir compte. En d’autres termes, la carte topographique du lentille faible peut nous aider à répondre à l’une des plus grandes questions: quelle est exactement l’énergie noire?
Enfin, une lentille faible pourrait nous aider avec les particules de masse la plus faible que nous connaissons: les neutrinos. Ces particules à mouvement rapide ne restent pas dans les galaxies au fur et à mesure de leur formation, mais emportent de l'énergie et de la masse au fur et à mesure. Si elles enlèvent trop, les galaxies ne deviennent pas aussi grandes, aussi des sondages à lentilles faibles pourraient nous aider à déterminer la quantité de neutrinos de masse.
À l'instar de SDSS, le LSST communiquera ses données aux astronomes, qu'ils soient membres de la collaboration ou non, ce qui permettra à tout scientifique intéressé de les utiliser dans leurs recherches.
«Faire fonctionner le télescope en mode enquête, puis transmettre ces produits de données de haut niveau et calibrés à l'ensemble de la communauté scientifique vont vraiment s'associer pour faire du LSST le site le plus productif de l'histoire de l'astronomie», déclare Willman. "C'est ce que je vise de toute façon."
Le pouvoir de l’astronomie consiste à utiliser des idées intéressantes - même celles que nous pensions jadis inutiles - de manière inattendue. Les lentilles faibles nous donnent un moyen indirect de voir des choses invisibles ou très minuscules. Pour quelque chose appelé «faible», la lentille faible est un puissant allié dans notre quête pour comprendre l'univers.
