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DECRYPTAGE - MAKING OF

5000 yeux pour mesurer l’expansion de l’Univers


Le 17 mai 2021, le télescope Desi ouvre ses 5000 yeux depuis l’Arizona. Objectif : recueillir et analyser pendant cinq ans les spectres de millions de galaxies pour mesurer leur distance par rapport à la terre et élucider le mystère de l’énergie noire. Sous l’égide du Berkeley Lab, cet ambitieux projet dans lequel le CEA est fortement impliqué dressera une carte en 3D de l'Univers précise et renseignera sur l’accélération de l’expansion de l’Univers dont l’énergie noire est tenue responsable.

Publié le 17 mai 2021
Avant que la mission Desi commence ses véritables observations, il a fallu la préparer : c’est la survey validation (validation du relevé), étape incontournable dans chaque mission astronomique. « Elle a consisté à sélectionner les 35 millions de galaxies dont Desi devra capter la lumière pour générer des spectres et à s’assurer que les objectifs scientifiques pourront être atteints », explique Christophe Yèche, pilote de cette étape vertigineuse. Tout comme le sera la mission.

Explications en vidéo :

VidéoLa survey validation de Desi


Les étapes de la survey validation

1 - Sélection de 35 millions de galaxies à observer

En observant 35 millions de galaxies à différentes époques de l’Univers, Desi étudiera le taux d’expansion de l’Univers ». Nathalie Palanque-Delabrouille, porte-parole de la collaboration Desi

Cartographie

Les zones grises du planisphère représentent la partie du ciel accessible et les points de couleurs, les champs où Desi a été pointé pendant la survey validation (chacun contenant près d’un million d’objets). © Romain Guittet /CEA



Une carte 2D record !

Etablie à partir de 200 000 images provenant de 1405 nuits d’observations sur trois télescopes et de plusieurs années de données satellitaires, la carte 2D réalisée compte deux milliards d’objets célestes sur une surface de plus de 10 000 milliards de pixels.

Desi étudiera le taux d’expansion de l’Univers en analysant le rayonnement énergétique des galaxies : « leur « décalage vers le rouge », lié à leur vitesse d’éloignement, renseigne sur leur distance de la Terre et sur l’expansion » précise Edmond Chaussidon, doctorant au CEA-Irfu.

Pour choisir 35 millions de galaxies pertinentes, les chercheurs ont au préalable réalisé une carte 2D de l’Univers qui en compte deux milliards. Grâce à de l’intelligence artificielle, ils ont pu identifier quatre types d’objets dont la lumière fut émise à différentes époques de l’Univers aujourd’hui âgé de 13, 7 milliards d’années (Mds) : jusqu’à 12 Mds (quasars), depuis 10 Mds (jeunes galaxies bleues), 8 Mds (galaxies rouges), et moins de 4 Mds (galaxies brillantes).


2 - 5000 fibres optiques positionnées en moins de 2 mn pour observer


En moins de deux minutes, les 5000 fibres optiques du plan focal sont positionnées pour mesurer 5000 nouvelles galaxies » Christophe Yèche, pilote de la survey validation de Desi
Repérage
Superposition du plan focal du télescope (alvéoles bleues) sur une partie de la carte 2D de l’Univers pour programmer ce que regardera Desi. © Romain Guittet / CEA


Le plan de Desi compte 5000 alvéoles dans lesquelles une fibre optique collecte la lumière et la transmet aux spectrographes. La mission balaiera 14 000°2 du ciel (qui en mesure 40 000°2) avec un plan focal en couvrant 8°2.

Chaque fibre a dans sa ligne de visée une dizaine de galaxies alors qu’elle ne doit en cibler qu’une seule. Pour cela, des micro-actionneurs placés dans chaque alvéole et pilotés par algorithme la positionnent au micron près. Les observations durent vingt minutes, temps de pose nécessaire car le rayonnement des galaxies est faible. Puis, en moins de deux minutes, les spectres sont générés, le télescope orienté vers une autre région du ciel et les 5000 fibres repositionnées. Il fallait environ une heure aux précédentes expériences pour le faire.

3 - Pré-observations et surveillance pendant 4 mois

Nous nous sommes relayés toutes les six heures pour piloter Desi et nous avions une conférence quotidienne à minuit ! » Etienne Burtin, physicien au CEA-Irfu

Surveillance
Suivi du pilotage automatique des observations préliminaires lors de la survey validation. © Romain Guittet / CEA


Le télescope de quatre mètres de Desi est installé sur le site de Kitt Peak en Arizona. Pendant quatre mois lors de la survey validation, des chercheurs sur site et à distance, y compris depuis Saclay, se sont relayés pour surveiller les observations les nuits où la météo était favorable. Ils ont réceptionné les spectres de 300 000 galaxies dont l’analyse a révélé que la stratégie de sélection des objets célestes étaient très prometteuse et que les performances de l’instrument étaient au niveau attendu.


A présent, et pour cinq ans, les 600 collaborateurs de la mission se relaieront pour s’assurer que Desi observera les 35 millions de galaxies choisies, dont certaines seront ciblées au moins cinq fois, lors de différentes nuits, pour générer les spectres les plus précis possibles. 

4 - Traitement et analyse des 30000 spectres récoltés 

L’intelligence artificielle s’avère très utile pour analyser les millions de spectres de galaxies et de quasars » Eric Armengaud, physicien au CEA-Irfu

Analyse
Contrôle d’un spectre du rayonnement d’un quasar observé pendant la survey validation © Romain Guittet / CEA
Une collaboration internationale

Une collaboration internationale

Menée par l’Université américaine de Berkeley, la mission Desi (Dark Energy Spectroscopic Instrument) regroupe 600 chercheurs dont ceux du CEA-Irfu très impliqués à différents niveaux : réalisation des cryostats des capteurs du plan focal et des dix spectrographes ; pilotage de la survey validation ; porte-parolat de la collaboration ; contribution à l’analyse des spectres et exploitation scientifique des données.


Le spectre d’une galaxie révèle les éléments chimiques qui la composent. En comparant les valeurs de ces éléments dans l’Univers avec celles en laboratoire, les chercheurs calculent le décalage vers le rouge des galaxies. Ils en déduisent leur distance par rapport à la Terre pour étudier l’expansion de l’Univers. 


Les spectres sont inspectés visuellement et l’analyse doit être validée par deux chercheurs. Comme il y en aura des millions à effectuer, l’équipe du CEA a validé sur 30 000 spectres récoltés lors de la survey validation, des algorithmes d’apprentissage profond dont elle possède une grande expertise pour les besoins de la physique des particules.

Objectif : limiter le recours à l’inspection visuelle aux seules données les plus compliquées, en vue de livrer la plus grande carte 3D de l’Univers.

Un reportage extrait des
Défis du CEA n° 243


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