La cosmologie est l’étude de l’Univers dans son ensemble. Nous essayons de comprendre comment il est né, comment il grandit et comment il va éventuellement mourir. Au cours des dernières décennies, les cosmologistes ont élaboré le modèle standard de la cosmologie dit « Lambda CDM », qui explique la grande majorité des observations à grande échelle actuelles. Ce modèle repose toutefois sur deux quantités inconnues : le « Lambda », qui fait référence à la constante cosmologique, et le « CDM », pour matière noire froide (cold dark matter en anglais). La constante cosmologique est une option pour expliquer pourquoi l’expansion de l’Univers accélère actuellement ; les autres solutions consisteraient à introduire une composante d’énergie sombre ou à modifier les lois de la gravité. La matière noire est invoquée pour expliquer les interactions gravitationnelles qui ne sont pas associées à la matière lumineuse, et pourrait également être expliquée par des modèles de gravité modifiés. Ensemble, la constante cosmologique et la matière noire représentent environ 95% du budget énergétique de l’Univers, ce qui signifie que seulement 5% de l’Univers est visible. Au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, nous essayons d’observer cet Univers sombre avec différentes techniques afin d’améliorer notre compréhension de l’évolution de l’Univers et de tester toutes ces alternatives au modèle standard de la cosmologie.
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Fond diffus cosmologique
Le fond diffus cosmologique (ou FDC) est la première lumière émise par l’Univers. En tant que tel, il contient des informations sur l’Univers lorsqu’il était très jeune.
Notre compréhension du cosmos est ponctuée par quelques rares observations essentielles. En produisant la carte « ultime » de l’intensité du FDC, le satellite Planck a définitivement contribué à l’histoire. Les informations extraites de Planck permettent de confirmer le modèle standard de la cosmologie avec une précision sans précédent. Cependant, la précision des données Planck est si élevée qu’elle a également permis de révéler certaines caractéristiques inexpliquées qui, pour être comprises, pourraient nécessiter une nouvelle physique. Les futures observations du FDC aideront à mieux comprendre ces caractéristiques mais elles viseront surtout à remonter encore plus loin dans le temps, plus près encore du Big Bang.Ces expériences, observant les ondes millimétriques, contiennent également des informations sur la structure à grande échelle en avant-plan du FDC, car les photons du FDC ont traversé l’Univers tout entier et ont interagi avec de nombreux objets avant de nous parvenir. En particulier, les fluctuations du fond diffus infrarouge (FDI) constituent l’un de ces avant-plans au FDC. Elles sont produites par l’émission collective et non résolue des galaxies lointaines. Dans notre équipe, nous modélisons le FDI de manière à extraire les informations cosmologiques des données du FDC, et nous utilisons le FDI pour mesurer l’histoire de la formation des étoiles dans les galaxies et pour étudier la relation entre la formation des étoiles et la toile cosmique.
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Structure à grande échelle
La structure à grande échelle se forme dans l’Univers tardif, lorsqu’il devient suffisamment froid pour que la matière s’accrète et s’organise sur ce que nous appelons la toile cosmique. Les galaxies se trouvent dans de grands filaments de matière qui sont reliés par des amas de galaxies, un autre sujet important étudié dans notre laboratoire. Ces filaments entourent des volumes sous-denses que nous appelons des vides. Cette structure à grande échelle retrace à la fois l’histoire de l’expansion de l’Univers et sa distribution de matière.
Pour extraire ces informations, nous étudions le regroupement de la matière, c’est-à-dire la façon dont les galaxies sont réparties dans le ciel, et les lentilles gravitationnelles, la déviation de la lumière due à des objets massifs. De nombreux chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille sont impliqués dans les futurs instruments dédiés à ces mesures : le satellite Euclid, le satellite Roman et l’Observatoire Rubin. Au sein de ces grandes collaborations internationales, nous développons de nouveaux outils statistiques pour exploiter ces données futures : fonctions de corrélation, statistiques d’ordre supérieur, apprentissage automatique,… Nous sommes en particulier très enthousiastes à l’idée du lancement prochain du satellite Euclid qui observera un tiers du ciel dans le but de comprendre grâce à ces analyses de structures à grande échelle ce qui explique l’expansion accélérée de l’Univers.
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Emission haute énergies
Les halos d’amas de galaxies sont des zones massives d’accumulation de matière noire et donc des cibles intéressantes pour la recherche indirecte de matière noire. Nous étudions les potentielles émissions hautes énergies générées par l’annihilation ou la désintégration de matiere noire dans les amas proches pour dériver des contraintes sur les propriétés des particules candidates à la matière noire et sur la distribution de matière noire dans les amas. Ces études sont pertinentes pour l’astronomie gamma (expériences FERMI, HESS/CTA) et les télescopes à neutrinos (IceCube, KM3NeT).
