Le spectrographe DESI ouvre ses 5000 yeux

En Arizona, sur le site de Kitt Peak, l'instrument DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) vient de recevoir sa « première lumière ». Résultat d'une collaboration internationale, DESI va cartographier le ciel dès 2020 à la recherche de l'énergie noire.

À la recherche de l'énergie noire

Imaginez 5 000 « yeux » à fibres optiques, qui parcourent le ciel nocturne en enregistrant les spectres ou signatures lumineuses dans l'ultraviolet, le visible et l'infrarouge. Orientés vers une longue liste de galaxies et de quasars, ces yeux vont en détecter la lumière, que dix spectrographes vont décomposer en multiples longueurs d'onde. Seront ainsi mis au jour les signatures uniques de chaque galaxie, dont on pourra extrapoler une information de distance.

Ainsi ce n'est pas tant une carte que l'instrument DESI va permettre d'établir, mais un véritable « instantané » de l'expansion de l'Univers.

Selon Nathalie Palanque-Delabrouille (co-porte-parole de la collaboration), « DESI représente un progrès significatif par rapport aux précédents instruments, par le nombre d'objets mesurés ». Et pour cause, ce que l'on observe à travers cette cartographie en trois dimensions des distances, c'est aussi l'histoire de l'Univers et de son évolution. Les mesures de distance seront confrontées aux prédictions du « Modèle Standard » de la cosmologie, qui suppose l'existence d'une composante encore jamais observée aujourd'hui nommée l'énergie noire.

Le terme, utilisé faute de mieux, décrit l'accélération, depuis 5 milliards d'années, de l'expansion de l'Univers. En quelque sorte, DESI peut donc être utilisé comme une puissante machine à remonter le temps pour observer l'évolution passée de l'Univers : la lumière de certaines galaxies a mis jusqu'à 11 milliards d'années pour parvenir jusqu'à nous. Et cette carte sera la plus dense, sur la plus grande étendue céleste jamais observée : elle multipliera par 15 le nombre de distances de galaxies et quasars analysés par rapport aux relevés existants !

De Hubble à DESI

La méthode d'observation par spectroscopie trouve son origine dans les années 1920, lorsque le célèbre astronome américain Edwin Hubble découvrit que les spectres lumineux d'autres galaxies étaient décalés vers l'infrarouge. Si la source s'éloigne de l'observateur (ici, la Terre) la fréquence de l'onde devient plus basse que celle de l'onde émise. Mieux, Hubble montra plus tard que le décalage des spectres lumineux était directement proportionnel à leur distance. Cette relation porte aujourd'hui son nom, la Loi de Hubble, et a permis de montrer que les galaxies s'éloignent les unes des autres, et donc que l'Univers est en expansion. Un voyage de 100 ans jusqu'à DESI, qui est une collaboration pilotée par le Lawrence Berkeley National Laboratory, qui compte près de 500 chercheurs et 75 institutions dans 13 pays.

Un télescope avec la fibre

Si DESI a reçu sa « première lumière » (une étape très importante des tests de mise en fonction), tous ses éléments ne sont pas encore installés et la mission scientifique, à proprement parler, ne démarrera qu'à l'été 2020, après la mise en route complète en janvier et toute une batterie d'essais. En cinq ans, les équipes scientifiques espèrent mesurer le spectre de 5 000 objets célestes... Toutes les 20 minutes ! Soit au final un catalogue de distances pour 35 millions de galaxies et 2,4 millions de quasars représentant un tiers du ciel observable.

DESI est installé dans le télescope de quatre mètres Nicholas U. Mayall, à l'Observatoire de Kitt Peak en Arizona. Le site est ancien, mais l'instrument lui, est flambant neuf. Son installation a commencé en février 2018, et ce sont des composants du monde entier qui arrivent sur place. Il y a plusieurs lentilles optiques d'un mètre de diamètre pour capturer la lumière, mais surtout un ensemble de 5 000 positionneurs robotisés, tous capables de pivoter individuellement pour se concentrer sur les objets observés. Ce sont les « yeux » de DESI, qui transmettent par fibre optique la lumière à dix spectrographes. Leur changement de position d'un objet céleste à un autre ne prend que deux minutes !

Des spectrographes près de chez vous

« La première lumière vient récompenser dix années d'efforts. Nous allons pouvoir progresser dans notre compréhension de l'énergie noire et je suis impatient de voir les surprises que nous réserve DESI », explique Christophe Magneville (CEA-Irfu), responsable scientifique pour les cryostats de DESI. Seuls huit spectrographes sont aujourd'hui installés, les deux derniers sont encore dans le Vaucluse, sur le site de Winlight Optics. Sur place, sous la responsabilité d'équipes du CEA-Irfu (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers), les équipes du CNRS réalisent les derniers réglages optiques et les contrôles.

Durant quatre semaines environ pour chacun de ces spectrographes, les équipes vérifient la position (à 15 microns près) de ses trois capteurs de lumière CCD ainsi que les performances de ses systèmes de refroidissement. « Les capteurs CCD sont le cœur de l'instrument DESI. Nous avons réalisé la conception du système cryo-mécanique qui les intègre et les fait fonctionner de manière optimale. Nos équipes ont assuré le montage des 30 cryostats et le positionnement de chacun des CCD à la précision requise », détaille Pierre-Henri Carton (CEA-Irfu), chef de projet pour les cryostats. Une performance unique pour un instrument unique !

Source : Communiqué de presse