L’observatoire Vera C. Rubin bientôt prêt à sonder le côté sombre de l’Univers

Ici comme ailleurs, des équipes de recherche se préparent méticuleusement à la mise en fonction de l’observatoire Vera C. Rubin, prévue pour 2025.

Sur la crête du Cerro Pachón, au Chili, on peut désormais admirer l’imposante silhouette de l’observatoire américain Vera C. Rubin. Planifiée en 1996, sa construction a débuté en 2015 et s’achèvera seulement cette année. Cet observatoire aura nécessité plusieurs prouesses techniques, dont la fabrication de la caméra astronomique la plus grosse et la plus sensible jamais construite ! De la taille d’une petite voiture, elle pourra détecter avec ses 3,2 milliards de pixels un large spectre de longueurs d’onde, allant de l’ultra­violet à l’infrarouge.

D’abord nommé LSST (Large Synoptic Survey Telescope), l’observatoire a finalement été baptisé Vera C. Rubin en l’honneur de cette astrophysicienne américaine décédée en 2016, pionnière de l’étude de la matière noire. Il a justement été conçu dans le but de lever le voile sur la matière noire et l’énergie noire. Celles-ci, bien qu’invisibles, constitueraient 96 % de l’Univers, et demeurent les plus grands mystères de l’astronomie actuelle.

Avant même de produire ses premières images, l’observatoire suscite déjà beaucoup d’intérêt dans la communauté scientifique. « C’est extrêmement excitant ! » s’enthousiasme Yashar Hezaveh, cosmologiste et professeur en physique à l’Université de Montréal. Avec ses collègues, dont la cosmologiste Laurence Perreault-Levasseur, il est déjà à pied d’œuvre pour concevoir des méthodes d’analyse des futures données.

Dès 2025, l’observatoire entamera un suivi céleste inédit : le Legacy Survey of Space and Time. Toutes les 3 à 4 nuits, pendant une décennie, il produira un relevé complet du ciel de l’hémisphère Sud. Sa caméra spécialement conçue pour détecter des objets qui changent de luminosité ou de position (comme les supernovas) agira en réelle vigie astrale. Elle émettra une alerte pour signaler tout changement – on en attend plus de 10 millions par nuit !

« Avant, on pouvait suivre des objets assez petits, comme une étoile ou une galaxie lointaine. Mais aucun relevé du ciel n’était disponible à grande échelle », explique Yashar Hezaveh.

Tout comme Vera Rubin avant lui, ce chercheur s’intéresse particulièrement à la matière noire, cette sorte de glu invisible qui assure la cohésion des galaxies. Il espère notamment cartographier sa distribution pour en apprendre davantage sur ses propriétés fondamentales.

Mais étudier la matière noire nécessite une certaine dose de créativité : n’interagissant pas avec la lumière, elle est indétectable par nos appareils de mesure. On sait toutefois qu’elle a une masse, donc qu’elle exerce des effets gravitationnels sur ce qui l’entoure. Et ce sont ces effets qu’on traque.

L’aide des lentilles

Ainsi, pour la cartographier, il faut observer ses effets sur la lumière à l’aide de « lentilles gravitationnelles ». Ces dernières sont des corps célestes massifs, comme des galaxies, dont le champ gravitationnel fait dévier de sa trajectoire la lumière émise par une source lointaine. Résultat : lorsqu’on observe une source lumineuse à travers une « galaxie lentille », on ne voit pas une seule image, mais bien plusieurs images déformées, arrangées en halo lumineux appelé « anneau d’Einstein ».

Or, la matière noire contenue dans une galaxie lentille exerce elle aussi un effet gravitationnel sur la lumière. Elle laisse une empreinte très distincte sur l’anneau d’Einstein, ce qui permet de déduire sa répartition dans la galaxie.

Le problème, c’est qu’il est très peu probable de trouver une galaxie lentille : l’alignement entre la source lumineuse, la galaxie et le télescope doit être parfait. Typiquement, il faut scruter un million de galaxies pour en trouver une seule. « Pour le moment, seules quelques centaines de lentilles gravitationnelles ont été identifiées. Mais avec cet observatoire et ses relevés récurrents, on prévoit en identifier près de 200 000 ! » s’exclame Yashar Hezaveh.

Les images d’anneaux d’Einstein obtenues grâce aux nouvelles lentilles gravitationnelles permettront également à l’équipe de l’Université de Montréal d’estimer le taux d’expansion de l’Univers, un sujet très chaud en cosmologie. L’énergie noire, la force qui accélère l’expansion du cosmos, sera quant à elle étudiée par d’autres équipes grâce aux nombreuses supernovas qui seront détectées par la caméra – ces « chandelles » permettent de calculer avec précision les distances astronomiques et donc la dilatation de l’Univers.

Le défi d’analyse

Afin de passer au crible les monceaux de données qui seront générés, l’équipe de l’Université de Montréal utilise dès maintenant l’intelligence artificielle (IA). Et grâce à l’expertise québécoise en IA, l’équipe est en bonne posture pour parfaire les méthodes numériques nécessaires aux calculs.

En dix ans, on s’attend à ce que l’observatoire Vera C. Rubin produise 60 pétaoctets de données (il faudrait environ 70 000 ordinateurs portables pour tout stocker !). Qui sait ce qu’une telle quantité d’informations pourra révéler ? « Les données seront un peu comme un coffre au trésor pour les astronomes et les cosmologistes, conclut Yashar Hezaveh avec philosophie. Nous, on étudie [la matière noire], un inconnu connu. Mais je crois que les découvertes les plus intéressantes porteront sur des inconnus… inconnus ! »