Projet ANR-12-BS05-0015 – SDSS-III : Sloan Digital Sky Survey III
Programme : Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Eric AUBOURG (cnrs paris a)
Partenaires : Laboratoire public; Centre de Physique des Particules de Marseille; Laboratoire public; Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers; Institut d'Astrophysique de Paris; Univers, Transport, Interfaces Nanostructures, Atmosphère et Environnement, Molécules; Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
Montant : 427895.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : SDSS-IIIParticipation française au Sloan Digital Sky Survey III
Caractérisation de l’énergie noire à l’aide des oscillations de baryons. Quelle est la cause de l’accélération de l’expansion de l’univers ?Le projet SDSS-III est un relevé spectroscopique d’une grande partie du ciel. Ce projet a permis de financer la participation d’un groupe français au projet SDSS, qui comprend plusieurs relevés, dont le principal, BOSS, vise à étudier les caractéristiques de l’énergie noire via la technique des oscillations de baryons.On sait en effet depuis une dizaine d’années que l’expansion de l’univers s’accélère, contrairement à ce qui était attendu. On a nommé énergie noire la cause de cette accélération, sans savoir s’il s’agit d’une composante supplémentaire de l’univers, ou d’une modification nécessaire des lois de la gravitation. Les oscillations de baryons permettent de reconstruire l’histoire de l’expansion de l’Univers, et donc de contraindre les différents modèles d’énergie noire. SDSS-III comprend aussi le relevé APOGEE destiné à l’étude de notre Galaxie ; certains membres du groupe français participent à ce relevé.
Les oscillations de baryonsLes ondes sonores qui se sont propagées dans le plasma primordial de l’Univers ont laissé l’empreinte d’une distance caractéristique dans la fonction de corrélation de la matière. En mesurant cet étalon d’échelle à diverses distances, on peut déterminer comment l’Univers a crû et comment cette croissance a été affectée par l’énergie noire. On peut ainsi remonter à des contraintes sur l’équation d’état de l’énergie noire.Le relevé BOSS mesure la position de millions de galaxies, et permet de mesurer la fonction de corrélation associée. Il mesure aussi le spectre de quasars lointains ; l’hydrogène neutre laisse son empreinte dans le spectre de ces quasars, ce qu’on appelle la forêt Lyman alpha, et on peut ainsi mesurer l’étalon de distance BAO à grand décalage vers le rouge de cette manière, et donc remonter encore plus dans le passé de l’expansion de l’Univers.Le groupe de participation français à SDDS-III s’est concentré sur la mesure des BAO dans la forêt Lyman alpha des quasars.
Résumé de la soumission : Un Groupe de Participation français (FPG) au Sloan Digital Sky Survey-III a été formé en 2009 et a été soutenu par l'ANR pour la période 2009-12. SDSS-III étant un projet sur six ans, des fonds supplémentaires étaient nécessaires. C'est pourquoi nous demandons aujourd'hui un financement pour les deux dernières années du projet (2013-14), et pour une année supplémentaire pour l'analyse des données. Le FPG est fortement impliqué dans le relevé BOSS (oscillations de baryons) de SDSS-III ; depuis que l'Observatoire de Besançon a rejoint le groupe, nous sommes également impliqués dans la partie galactique du relevé SDSS-III: Segue et APOGEE.Les preuves que l'expansion de l'Univers s'accélère se sont accumulées au cours des dernières années. C’est l'un des thèmes majeurs de la cosmologie d'aujourd'hui, qui pourrait avoir des implications pour l'astronomie, la physique des particules, la relativité générale, et la théorie des cordes.Une des techniques permettant de mesurer précisément l'histoire de l'expansion cosmique est la méthode des "oscillations acoustiques de baryons" (BAO), développée par le projet SDSS-I. Elle est particulièrement intéressante par sa simplicité et ses faibles effets systématiques. Les ondes sonores qui se propagent dans le plasma chaud de l’Univers primordial impriment une échelle caractéristique sur la structure de la matière noire, des galaxies et du gaz intergalactique. En mesurant cette échelle à des distances différentes, on peut déterminer la manière dont l'Univers a grandi et comment cette croissance a été affectée par l'énergie sombre. Plus précisément, l'objectif principal de ce projet est de mesurer, grâce à la méthode BAO, l'équation d'état (EOS) de l'énergie noire et son évolution avec le redshift.Il est proposé dans BOSS de cartographier la distribution à grande échelle de 1,5 million de galaxies lumineuses rouges et de l'hydrogène neutre vu dans l'absorption dans les spectres de 160 000 quasars lointains. La mesure de la structure des galaxies permettra de déterminer l'échelle de distance absolue avec une précision de 1% sur les 7 derniers milliards d’années; aucune expérience future ne peut considérablement améliorer cette mesure car BOSS couvre une grande fraction du volume disponible avec une population dense de traceurs à fort biais. Cette mesure de la structure des galaxies fournira un point d'ancrage pour les futurs relevés. L’étude de l’hydrogène dans les spectres d'absorption des quasars permettra des mesures à 1,4% de l'échelle de distance et du taux d'expansion cosmique il y a 10 milliards d’années, fournissant une détermination précise de la courbure de l'espace et une sensibilité unique à l'énergie sombre à grand z.Le FPG a concentré la plupart de ses efforts sur le relevé visant à récupérer le signal BAO (BOSS). Cependant, le FPG est également impliqué dans les deux relevés se concentrant sur notre Galaxie, SEGUE et APOGEE.Au cours des premières années en tant que membres de la collaboration SDSS, nous avons atteint une très bonne visibilité dans la collaboration et nous avons obtenu des premiers rôles dans de futures publications. Dans SEGUE, nous utilisons le modèle de la Galaxie de Besançon pour analyser les données et étudier la distribution de la métallicité et la structure du disque épais. Dans APOGEE, nous avons participé à la préparation de la liste des cibles, et prévoyons d’étudier la métallicité du bulbe, la cinématique de la barre, et la relation entre le bulbe et le disque épais.Dans BOSS, nous dirigeons la sélection des cibles et la préparation du catalogue de données. Notre analyse de la forêt Lyman-alpha sera publiée en tant que qu’analyse officielle SDSS-III en juillet 2012, au moment de la publication de DR9. Nous avons construit une communauté BAO française forte et préparé les futurs relevés spectroscopiques comme e-BOSS, BigBoss, et Euclid. Ce financement va nous permettre de conserver l'accès aux données SDSS et de renforcer notre rôle dans le domaine.
Résultats : Le groupe de participation français a joué un rôle majeur dans le développement de l’utilisation de la forêt Lyman alpha en cosmologie.
Nous avons publié la première détection des BAO dans la forêt des quasars et joué un rôle important dans tous les travaux ultérieurs de la collaboration SDSS sur le sujet.
Le groupe français a été aussi responsable de la publication d’un catalogue de quasars, lors de chaque mise à disposition publique des données SDSS.
Perspectives : L’impact principal de ce projet a été de créer en France une expertise reconnue sur la technique des oscillations de baryons en cosmologie. Cela a permis à une partie de l’équipe de participer au projet SDSS-IV, qui prend actuellement des données, et de jouer un rôle important dans la construction du projet DESI, prévu pour ~2018.
Publications et brevets : Il est difficile de séparer les publications issues des deux projets ANR successivement financés, car ces deux projets sont en continuité. Dans les dates du second projet, l’équipe française SDSS a été signataire de plus de 90 articles directement liés au projet financé par l’ANR.
Nous avons été cosignataires des articles accompagnant les « data releases » ainsi que des articles majeurs des relevés BOSS et APOGEE, en raison de notre implication dans le projet.
Parmi les articles significatifs publiés spécifiquement par l’équipe française, on peut citer:
Busca et al. 2013, la première mesure du signal BAO dans la forêt Lyman-alpha et la première preuve directe que l’expansion de l’Univers se ralentissait dans le passé.
Les publications d’un catalogue de quasars, accompagnant chaque « data release »
Palanque et al. 2013 & 2015, dans lequel les fluctuations de matière à petite échelle sont étudiées dans les spectres individuels des quasars.
Delubac et al. 2015, avec des contraintes plus précises issues du signal BAO dans la forêt Lyman-alpha.
Dans le cadre du relevé APOGEE, on peut noter aussi
Hayden et al, 2015 : Analyse de la métallicité et de l'abondance en éléments alpha des étoiles du disque galactique
Fernandez-Trincado, Robin, et al, 2015 : Découverte d'une étoile du halo ayant la signature chimique typique des amas globulaires