Le grand sondage cosmique
du Télescope Canada-France-Hawaii
révèle de sombres secrets de l'Univers

26 octobre 2012


Des astronomes français et canadiens viennent de publier la version finale du grand sondage cosmique du Télescope Canada-France-Hawaii (CFHTLS). Il résulte d'un projet d'imagerie multi-couleur unique qui explore un volume extrêmement large de l'Univers et collecte des dizaines de millions de galaxies dont certaines sont distantes de plus de 9 milliards d'années lumière de la Terre. Ce nouveau catalogue représente une véritable mine d'or pour la recherche astrophysique des années à venir, et cette réalisation remarquable du CFHT inspire déjà d'autres observatoires à travers le monde. De très nombreux résultats scientifiques ont été publiés sur la base de ces images, incluant la cartographie de la mystérieuse matière sombre à une échelle inédite mais aussi des premières mesures de haute précision des propriétés de la toute aussi mystérieuse énergie sombre.

Les observations du grand sondage CFHTLS ont débuté en 2003 et se sont conclues en 2009. Trois années supplémentaires ont néanmoins été nécessaires pour calibrer avec précision l'énorme volume de données de haute qualité, plus de 15 000 images obtenues dans cinq canaux couvrant le domaine optique, du bleu au rouge, en incluant le proche ultra-violet et le proche infra-rouge. 38 millions d'objets ont été recensés, la plupart étant des galaxies lointaines à divers stages d'évolution, sur une surface de ciel très importante (800 fois la surface de la pleine Lune telle que perçue dans le ciel).

Une tapisserie de galaxies
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Cette minuscule fraction du grand sondage cosmique CFHTLS révèle une tapisserie de galaxies de toutes formes. Plus de mille galaxies distantes sont identifiables sur cette image comme autant de petits points diffus (les objets bleus les plus brillants avec leur aigrettes sont des étoiles d'avant-plan de notre galaxie). Le sondage complet du CFHTLS a révélé des dizaines de millions de galaxies telles que celles-ci.
© CFHT / Coelum

INDEX

Basé sur des observations obtenues avec MegaPrime/MegaCam, une collaboration du CFHT et du CEA/IRFU, au Télescope Canada-France-Hawaii qui est géré par le Conseil National de Recherches Canada (CNRC), le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de France et l'Université d'Hawaii. Ce travail repose sur des données avancées produites à Terapix et disponibles au Centre Canadien des Données Astronomiques (CCDA), une partie intégrante du grand relevé héritage du Télescope Canada-France-Hawaii (CFHTLS), une collaboration du CNRC et du CNRS.

ENERGIE SOMBRE ET MATIERE SOMBRE

Le but scientifique principal du CFHTLS était de mesurer précisément l'éclat de plusieurs centaines explosions d'étoiles, dites supernovae de type Ia, afin de mieux comprendre la nature de l'énergie sombre. La matière sombre et l'énergie sombre dominent l'Univers mais ni l'une ni l'autre ne peut être ni vue ou identifiée.


Les astronomes peuvent en revanche mesurer les effets de l'énergie sombre sur le taux d'expansion du cosmos; à l'inverse de la force gravitationnelle, la force liée à l'énergie sombre augmente avec l'expansion. Afin de mesurer cet effet sur l'Univers jeune, les astronomes utilisent les supernovae de type Ia qui sont d'excellents indicateurs de distance pour mesurer l'éloignement des galaxies.

Sur la base des images du CFHTLS collectées entre 2003 et 2009, l'équipe SNLS a détecté et suivi près de 500 supernovae de type Ia et analysé les images de plus de 10 millions de galaxies. Les résultats amènent une meilleure compréhension de l'Univers ainsi que la détermination de paramètres cosmologiques à un niveau de précision inégalé.

Gauche: Une supernova lointaine
Une supernova typique des centaines détectées durant le relevé de supernovae qui a traqué des millions de galaxies lointaines. Crédit: SNLS
Droite: Une supernova en temps accéléré
Cette vidéo montre qu'une supernova atteint son pic de luminosité très rapidement (en quelques jours) et s'affaiblit par la suite sur une échelle de plusieurs mois. A son pic d'intensité, une supernova peut être plus brillante que toutes les étoiles combinées de la galaxie qui l'abrite. Cette animation couvre une période de 4 mois, de l'état pre- a post-supernova. Crédit: SNLS

Le second but scientifique principal consistait à cartographier la mystérieuse matière sombre à une échelle inédite. Cela requiert la combinaison cruciale d'observations profondes de l'Univers sur de grandes régions du ciel et le développement de méthodes avancées d'analyse des données.

Il est à présent connu que les galaxies s'accumulent en de grandes structures s'étendant sur des milliards d'années lumière. La déformation des images de galaxies, ou cisaillement gravitationnel, est causée par ces grandes structures de l'Univers et est une manifestation faible du phénomène de distorsion gravitationnelle de la lumière, une prédiction de la théorie de la relativité d'Einstein.

Cet effet de "lentille gravitationnelle" a été découvert pour la première fois au CFHT par une équipe française en 2000 et l'étude de ce phénomène à grande échelle au CFHT est donc une continuation logique. Au sein du CFHTLS, des astronomes du monde entier se sont impliqués dans le consortium CFHTLenS afin de mieux contraindre la géométrie de l'Univers et d'anticiper comment il évoluera dans le futur.

"Le CFHTLS est déjà à la base de très nombreux travaux publiés et il est à ce point le résultat le plus cité de toute l'histoire du CFHT", dit Raymond Carlberg, professeur et chercheur à l'Université de Toronto.

Le squelette cosmique de matière noire

L'omniprésent squelette cosmique de matière noire tel que mesuré par le consortium CFHTLenS est perçu dans les quatres directions sondées par le télescope Canada-France-Hawaii. L'encart en bas à gauche indique la plus large structure mesurée avant l'effort CFHTLenS (crédit: NASA, ESA, P. Simon et T. Schrabback) et la pleine Lune à l'échelle. Crédit: L. Van Waerbeke (UBC) and C. Heymans (UE)

UNE CAMERA UNIQUE AU MONDE
POUR UN SONDAGE COSMOLOGIQUE SANS PRECEDENT

Le sondage du CFHTLS repose sur l'instrument MegaCam, un appareil numérique de pointe de 340 millions de pixels, le plus grand du monde à sa mise en service, conçu et réalisé par le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA Saclay). Couplé au miroir de 3.6m de diamètre du télescope CFHT, situé au sommet du Mauna Kea à Hawaii, MegaCam saisit en une seule prise un champ d'un degré carré à un niveau de détail saisissant.

Gauche: MegaCam, un appareil numérique de 340 millions de pixels
Le plan focal de MegaCam est composé de 40 CCDs e2v. Seuls les 36 CCDs centraux formant un carré sont utilisés pour la science. Crédit: J.-J. Bigot (CEA)
Droite: Le télescope CFH (mirroir de 3.6 mètres) avec MegaPrime
MegaCam est monté au foyer primaire appellé MegaPrime, localisé au sommet du télescope (structure noire).
Crédit: J.-C. Cuillandre (CFHT)

Le relevé a fourni quatre champs MegaCam ultra-profonds atteignant la magnitude limite de 27 dans le rouge pour des galaxies lointaines, soit environ 200 millions de fois plus faible que ce que l'œil peut percevoir sans assistance technique. Le sondage a également produit une série de grands panoramas du ciel composés de 171 pointés MegaCam profonds, qui en raison des recouvrements entre les champs adjacents, couvre un total de 155 degrés carrés distribués sur quatre régions indépendantes dans le ciel de l'hémisphere nord.

De 2003 à 2005, le relevé incluait une composante axée un autre sujet majeur de l'astrophysique contemporaine: la ceinture de Kuiper. Cette collecte d'un échantillon sans précédent de la population du système solaire au delà de Neptune a par la suite continué sous une allocation de temps de télescope différente (CFEPS) et a finalement apporté la détermination précise de l'orbite de près de 200 objets de la ceinture de Kuiper. Cette collection est utilisée pour tester des modèles de formation du système solaire.

Le relevé complet livré à ce jour est basé sur plus de 15000 images MegaCam individuelles, chacune d'entre elle représentant près d'un gigaoctet. Le volume considérable de données, généré au télescope au fil des ans, a été traité à Terapix (Institut d'Astrophysique de Paris, UMR 7095, CNRS/INSU), un centre spécialisé basé en France dont la mission première était la caractérisation et l'optimisation de l'ensemble des images calibrées par le CFHT. Un produit final consiste en une série de catalogues recensant quelques 38 millions d'objets.

"Ces chiffres sont remarquables quand on considère que nous capturons au final qu'une fraction relativement réduite de l'ensemble du ciel, mais à une extrême profondeur." fait remarquer l'astronome Jean-Charles Cuillandre du CFHT, spécialiste de MegaCam et du CFHTLS.

Une myriade de galaxies - cliquer sur l'image pour obtenir la pleine résolution [8601x4838]

Cliquer sur l'image pour l'agrandir et utiliser les barres de défilement horizontale et verticale pour se déplacer dans l'image. Cette grande image couvre uniquement la moitié d'un champ profond (soit 0.3% de l'ensemble de la surface couverte sur le ciel par le CFHTLS) mais révèle déjà une myriade de galaxies. © CFHT/Coelum/Terapix/AstrOmatic

La mission de Terapix était de délivrer un ensemble de produits affinés pour les besoins des communautés scientifiques, une tâche à présent accomplie. Tout et toute astronome à travers le monde peut désormais accéder aux données via un centre spécialisé d'archivage de données astronomiques situé au Canada (Canadian Astronomy Data Centre, CADC). Enfin, en adaptant le CFHTLS pour l'Observatoire Virtuel, l'ensemble des catalogues de sources astronomiques est disponible au Centre de Données Astronomiques de Strasbourg (CDS) via l'interface VizieR.

A présent que les données optimisées du CFHTLS ont été rendues publiques, le relevé peut également être exploré visuellement à travers l'atlas virtuel du ciel du CDS, Aladin. Grâce à des logiciels de type Google Maps, un utilisateur d'Aladin peut explorer les énormes images du CFHTLS. C'est l'équivalent pour une œuvre d'art de s'approcher d'un Monet pour étudier les coups de pinceau puis de reculer pour apprécier la peinture dans son ensemble.

Les champs du CFHTLS dans le ciel de l'hémisphère nord

L'empreinte des quatres champs profonds et des quatres champs étendus du CFHTLS sont indiqués sur une projection de l'ensemble du ciel de l'hémisphère nord observable depuis le Mauna Kea (latitude +20). La projection sphérique depuis le pôle céleste semble compresser les champs étendus à basse latitude. Afin de collecter des données tout au fil de l'année alors que la Terre se déplace autour du Soleil, quatre régions dans quatre directions opposées du ciel ont été sélectionnées. Dans deux cas le champ profond est superposé au champ étendu. Le plan galactique encombré de notre galaxie, la Voie Lactée, a été évité afin de pouvoir observer l'Univers lointain. Crédit: CFHT/Terapix/CDS

UN PARI AMBITIEUX

Depuis sa mise en service il y 34 ans, le CFHT a eu un fort impact et a fourni des contributions cosmologiques majeures. Par exemple, entre 1992-1994, avant l'apparition des télescopes de la classe des 8-10 mètres au sommet du Mauna Kea, le CFHT a produit la première étude systématique des galaxies distantes normales (similaires à notre voie Lactée), ce qui nous a fourni un premier regard sur l'Univers tel qu'il était lorsqu'il n'avait que la moitié de son âge actuel. Baptisé le "sondage franco-canadien des décalages vers le rouge", ce relevé de très haute qualité a démontré que de telles études systématiques profondes avaient un impact important en astronomie.

Le CFHT a aussi révélé en 1985 le premier "arc gravitationnel", une image distordue d'une galaxie lointaine, trop faible pour être vue directement, mais dont la lumière est amplifiée et courbée par l'effet de lentille gravitationnelle, la rendant ainsi perceptible. Le CFHT a fourni par la suite le premier spectre de cet arc géant apportant ainsi la démonstration définitive qu'il s'agissait bien d'un "mirage".

Bien que le CFHT soit la figure de proue au point le plus haut du sommet du volcan du Mauna Kea à 4200m d'altitude, site unique pour l'observation optique, infrarouge et submillimétrique dans l'hémisphère Nord, il est désormais accompagné de plusieurs télescopes de 8 et 10 mètres de diamètres.

Gauche: Mauna Kea
Le Mauna Kea est un volcan endormi culminant à 4200 mètres d'altitude au dessus de l'océan Pacifique. Le ciel dégagé et les conditions atmosphériques très stables au sommet offrent des conditions idéales pour l'observation astronomique, en faisant le meilleur site d'observation au sol de l'hémisphère nord. Crédit: J.-C. Cuillandre (CFHT)
Droite: Le dôme du Télescope Canada-France-Hawaii
Le CFHT est un télescope équipé d'un mirroir de 3.6 mètres de diamètre. Il est financé suivant les règles d'un accord tripartite signé en 1974 entre le Canada (NRC CNRC), la France (CNRS INSU), et l'Université d'Hawaii.
Crédit: J.-C. Cuillandre (CFHT)

Considérant que la compétition est très rude en astronomie, en particulier pour le temps d'observation, si un plus petit télescope ne veut pas décliner inexorablement, ses astronomes doivent être ingénieux pour rester dans la course. Comprenant qu'un télescope de 3,6m de diamètre ne peut pas rivaliser avec les plus grands, la communauté scientifique du CFHT s'est lancée dans un pari ambitieux.

Après le succès d'une série de caméra CCD construites pour le CFHT dans les années 1990, ils ont créé ce qui allait devenir la plus grande caméra du monde pour les années à venir, MegaCam. Le Canada et la France ont alors consacré une grande partie (35%) de leur temps d'observation pour le grand sondage cosmique CFHTLS, soit un investissement de plus de 2500 heures sur 6 ans (2003-2009) ce qui correspond à environ 450 nuits entières.

Le pari a payé! Le sondage CFHTLS a non seulement produit le plus grand nombre de citations dans l'histoire du télescope mais, grâce à cet impact scientifique record, le CFHT est désormais classé dans les 10 télescopes les plus productifs du monde!


L'HERITAGE

"L'héritage du CFHT repose sur une certaine prise de risques au fil des décennies. La combinaison de MegaCam et du CFHTLS représente le parfait exemple d'une innovation technique couplée à une vision scientifique cohérente de la communauté du CFHT qui a amené un fantastique succès." affirme Doug Simons, directeur exécutif du CFHT.

"Nous n'en avons pas encore fini avec la science du CFHTLS!" s'exclame Hervé Aussel du laboratoire Sap-AIM (CEA/CNRS/Paris 7) à Saclay. "C'est bien là le sens du mot héritage. Il y a de nouveaux programmes de recherche qui commencent à utiliser les données du relevé, le complétant par de nouvelles observations. Par exemple, une équipe traquant les quasars les plus distants de l'Univers dans le CFHTLS ajoute en ce moment une composante infrarouge (CFHQSIR)."

"Sans le CFHTLS, nos connaissances n'auraient pas avancé aussi rapidement" complète Raymond Carlberg. "Résoudre les défis scientifiques a amené les diverses équipes à explorer de nouvelles méthodes de traitement et de calibration des données astronomiques: cela perdurera comme un héritage important dont de nombreux futurs relevés vont s'inspirer."

Aussel approuve. "Le CFHTLS est un véritable succès", note-t-il, ajoutant qu'en 2009 le CNRS a récompensé par des médailles d'argent deux scientifiques pour leurs travaux liés au CFHTLS: une à Pierre Astier (IN2P3/CNRS) pour la science des supernovae, et l'autre à Yannick Mellier (Institut d'Astrophysique de Paris) pour l'optique gravitationnelle.

"L'héritage n'est pas limité aux suivis du CFHTLS", remarque Mellier qui mène le Consortium Euclid contribuant à la mission du même nom de l'Agence Spatiale Européenne (ESA), un télescope spatial équipé de caméras conçues pour mesurer précisément l'énergie sombre et nous éclairer sur sa nature. Il ajoute: "MegaCam et le CFHTLS ont véritablement ouvert la voie pour la mission spatiale Euclid tant sur l'aspect scientifique que technique."


Impact scientifique: le cas Astier et al. 2006

L'article scientifique le plus cité, basé sur des données du CFHTLS, est celui d'Astier et ses collègues sur l'énergie sombre qui a été publié en 2006 dans le journal Astronomy & Astrophysics. A ce jour (octobre 2012), il a récolté plus de 1550 citations uniques (répresentés sur cette figure quelque peu chargée par des lignes pointant vers les articles faisant référence à l'article SNLS). Il est intéressant de dériver le facteur de rebond d'un article, une métrique basée sur la moyenne du taux de citation des articles citant ce travail de référence. Ce facteur est ici de 33 (pour un total de plus de 50000 citations), ce qui indique une forte activité scientifique dans ce domaine d'études. Crédit: ADS/PaperScope

Appendice: autres résultats scientifiques majeurs

Quelques exemples de résultats du grand sondage cosmique du CFHTLS, au delà des objectifs cosmologiques des relevés de supernovae et de lentilles gravitationnelles, sont énumérés ici. Cette liste n'est en aucun cas exhaustive car des centaines de scientifiques ont contribué au CFHTLS et un grand nombre de résultats différents ont été produits.

  • Le sondage d'imagerie profonde et de large champ a révélé 1200 candidats amas de galaxies de masses variées, augmentant ainsi de façon significative le nombre connu de ces amas à grand décalages vers le rouge, un progrès très important pour la mesure des paramètres cosmologiques.
  • L'analyse du regroupement en amas de 3 millions de galaxies du sondage cosmique profond dans quatre champs indépendants a permis la mesure la plus précise de la masse des halos de mati 2;re noire au sein desquels ces galaxies existent. L'étude a démontré une masse préférentielle de halo pour que la formation d'étoile soit efficace et la variation de c ette masse au cours du temps cosmique.
  • Grâce à la grande précision de la photométrie de MegaCam, le sondage de supernovae CFHTLS a permis d'entreprendre la mesure du taux de supernovae à différents âges cosmiques. Ceci devrait aussi fournir une mesure du taux de formation d'étoiles dans de très grands volumes d'espace incluant un grand nombre de galaxies.
  • Le sondage des fortes lentilles gravitationnelles à récemment fourni une compilation de 127 candidats lentilles dans les 155 degrés carrés du sondage grand champ CFHTLS permettant l'étude détaillées des distorsions géométriques de l'effet de lentille. Ces résultats offrent des indications sur la façon dont la matière, en particulier la matière noire, se distribue dans les halos.
  • L'excellente qualité des images du CFHTLS a permis aux chercheurs d'identifier un grand nombre de collisions de galaxies, notamment par la détection de ponts et de queues de matière. L'étude de quelques 1600 galaxies en collision a révélé que la fraction visible des collisions et fusions de galaxies évolue au cours du temps et également que la formation d'étoiles est déclenchée dans toutes les phases de la fusion, mais est plus forte dans les derniers stades.

Liens Utiles

Autres sites uniquement en anglais


Contact

  • Le spécialiste de MegaCam et du CFHTLS, Dr. Jean-Charles Cuillandre,
    peut être contacté au sujet de cet article à jcc@cfht.hawaii.edu