Projet ANR-11-JS56-0003 – OMEGA : Mesure Originale de l'Energie par une approche geométrique
Programme : JCJC - SIMI 5-6 - Environnement, Terre et Espace (JCJC SIMI 5-6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Stephanie ESCOFFIER (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE PROVENCE ET CORSE)
Partenaires : Centre de Physique des Particules de Marseille
Montant : 191260.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Le côté obscur de l’UniversDepuis la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers, la cosmologie moderne s’efforce de comprendre et contraindre la nature de l’énergie noire et de la matière noire qui représentent près de 95% du contenu énergétique de notre Univers.
Contraindre la nature de l’énergie noire par le test d’Alcock-PaczynskiDepuis la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers en 1998, comprendre la nature de l’énergie noire, ou mettre en évidence une modification des lois de la Relativité Générale à grande échelle, est devenu l’un des plus grands défis de la cosmologie moderne. Du point de vue observationnel, il est nécessaire d’avoir recours à des sondes cosmologiques indépendantes et complémentaires.Un nouveau test cosmologique très prometteur est le test d’Alcock-Paczynski (AP). Le principe de ce test est de considérer un système sphérique parfait dans l’espace réel, en s’appuyant sur l’hypothèse de l’uniformité et de l’isotropie de l’Univers à grande échelle, et de déduire la cosmologie en fonction de la déformation de l’objet dans l’espace observable, avec une forte contrainte sur la nature de l’énergie noire. Ce test peut s’appliquer sur tout ensemble symétrique comme les paires de galaxies ou les vides cosmiques, supposés sans orientation préférentielle ou forme préférentielle « en moyenne » dans un Univers homogène et isotrope.Le projet ANR OMEGA propose de consolider et d’améliorer ce test, attendu aussi puissant que celui des supernovae de type Ia.
Maitrise de l’effet des vitesses particulières des galaxies.La principale difficulté dans l’application du test AP est de s’affranchir de l’effet des vitesses propres des galaxies. En effet, les vitesses propres des galaxies produisent également une déformation dans l’espace des redshifts, effet qui devient alors compétitif avec la déformation due à l’expansion de l’Univers (effet AP) et qui perturbe la mesure cosmologique.Une première étape du projet consistait à consolider le test AP appliqué sur les paires de galaxies, en validant les hypothèses théoriques à l’aide de simulations N-corps dans l’espace réel, d’étendre les sélections des paires dans l’espace observable puis d’appliquer le test aux données SDSS/BOSS auxquelles nous avons un accès privilégié. Cette étude a été menée sur un catalogue de galaxies simulées situé construit à partir de la simulation Millennium WMAP7 avec le modèle de formation des galaxies développé durant le projet par V. Gonzalez-Perez (Gonzalez-Perez et al. 2014). Les résultats, qui ont donné lieu à une communication (Gonzalez-Perez et al. 2013), ont montré que les critères de sélection nécessaires pour s’affranchir des vitesses propres étaient modèle dépendant, ce qui rendait difficile leur utilisation. Nous avons donc réorienté le test AP sur les vides cosmiques qui sont beaucoup plus prometteurs. Le travail de A. Pisani durant le projet a d’ores et déjà démontré qu’il était possible de s’affranchir de l’effet des vitesses propres sur la forme des vides (Pisani, Wandelt, et Sutter 2015).
Résumé de la soumission : Au début du siècle dernier, Albert Einstein nous donna un nouveau cadre théorique pour traiter les questions de l’origine, de l’évolution et du destin de l’Univers. La technologie permet aujourd’hui de confirmer ces concepts de la relativité générale grâce à des mesures de haute précision. La mesure de l’histoire cosmique de l’expansion de l’Univers n’est pas une  tache facile, mais récemment, une variété d’étoiles et de supernovae nous ont donné un aperçu de cette histoire cosmique et ont permis de mettre en évidence un phénomène inattendu : l’accélération de l’expansion de l’Univers. Un des problèmes majeurs delà cosmologie moderne est de déterminer si ce phénomène résulte d’un nouveau fluide cosmique (énergie noire) ou d’une modification de la théorie de la gravitation à grande échelle. Les mesures de l’histoire de l’expansion de l’Univers basés uniquement sur le diagramme de Hubble obtenu grâce aux supernovae de type Ia ne permettent pas de distinguer sans ambigüité les différents scénarios théoriques. Nous sommes alors confrontés au besoin d’améliorer la quantité et la qualité des mesures actuelles, en développant et appliquant de nouvelles sondes cosmologiques indépendantes.Récemment, deux d’entre nous ont développé une nouvelle stratégie purement géométrique, permettant d’extraire l’information sur le secteur noir de l’Univers à partir de l’étude de propriétés symétriques des paires de galaxies distantes. La méthode, originale théoriquement et pleine de promesses, a déjà été appliquée afin de poser des contraintes compétitives sur les paramètres cosmologiques fondamentaux. Avec ce projet nous demandons le financement pour recruter un post-doc afin de nous donner à :-	d’étudier plus en profondeur le formalisme du test proposé, soit analytiquement soit par des simulations numériques à N-corps. Le but est d’affiner les bases physiques et de relaxer quelques approximations qui avaient été posées dans le schéma original de test.-	D’appliquer la méthode sur d’autres données  spectroscopiques comme les données SDDS/BOSS auxquelles certains d’entre nous ont un accès privilégié. D’une part, cela permettra d’améliorer les contraintes sur les paramètres cosmologiques fondamentaux qui ont déjà été obtenus en utilisant les données locales de SDSS et de DEEP2., et d’autre part de valider et de consolider la méthode sur une plus grande statistique.Pour assurer un retour scientifique et une visibilité important à ce nouveau et ambitieux programme, nous avons constitué une équipe inter-laboratoire jeune et dynamique qui regroupe une expertise inter-disciplinaire en théorie, expérimentation et astrophysique. Nous avons aussi besoin de renforcer notre compétence sur les aspects simulation N-corps pour consolider la méthode. De cette façon nous continuerons à garder le leadership sur cette analyse et nous aurons la possibilité de rester des acteurs majeurs dans la compréhension et l’interprétation du problème qui a été appelle le Problème du Millénaire.
Résultats : Nous sommes actuellement en train de finaliser l’analyse de l’application du test AP sur les vides cosmiques, à partir des données SDSS/BOSS. Ce travail a nécessité la création du catalogue de vides cosmiques à partir de ce relevé de galaxies, ainsi que le contrôle de certaines systématiques. La publication finale de l’application du test AP sur les vides cosmiques est en cours (Pisani et al. 2016, en préparation), et les résultats préliminaires confirment d’ores et déjà le caractère non seulement novateur mais aussi puissant du test AP sur les vides comme nouvelle sonde cosmologique.
Perspectives : Préciser les perspectives ouvertes par le projet en termes d’applications ou/et les usages à développer, de nouvelles recherches à mener, d’impact sociétal ou environnemental, etc.
Publications et brevets : La production scientifique associée au projet OMEGA est composée d’une part des travaux issus directement de l’étude de l’application du test AP sur des systèmes symétriques comme les paires de galaxies ou les vides cosmiques (3 papiers + 1 en préparation), mais d’autre part inclut également des travaux effectués dans le cadre de collaborations plus larges au sein de la communauté SDSS/BOSS (une dizaine de papiers).