De l’image à la carte 3D : comment DESI transforme les galaxies en distances cosmiques

Une carte céleste peut ressembler à une image très détaillée de l’Univers, mais une image seule n’indique pas nécessairement à quelle distance se trouve chaque galaxie. Les DESI Legacy Imaging Surveys et le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) remplissent des fonctions différentes et complémentaires : les premiers ont rassemblé des images qui permettent de localiser des objets dans le ciel ; le second observe la lumière d’une sélection de ces objets afin d’obtenir des informations sur leur distance et leur mouvement.

Le lien entre les deux illustre le passage d’une cartographie en deux dimensions à une cartographie en trois dimensions. La carte situe les objets dans le ciel ; les mesures spectroscopiques de DESI fournissent des informations qui permettent aussi de les ordonner en profondeur. NOIRLab a présenté le projet en janvier 2021 comme base du relevé de DESI. Les chiffres ci-dessous décrivent cette carte et le plan annoncé à l’époque, et non un décompte actualisé de tous les objets célestes connus.

Une carte d’images pour localiser les objets

Les Legacy Imaging Surveys ont combiné des images prises à l’Observatoire national de Kitt Peak, en Arizona, et à l’Observatoire interaméricain de Cerro Tololo, au Chili. L’ensemble a été complété par des images de WISE, le télescope spatial Wide-field Infrared Survey Explorer de la NASA. La carte obtenue couvrait la moitié du ciel et réunissait plus d’un milliard de galaxies.

La couverture numérique atteignait dix billions de pixels — 10¹² selon l’échelle numérique utilisée en espagnol. Le projet a décrit cette carte comme la plus grande réalisée jusque-là si l’on considère ensemble la zone du ciel couverte, la sensibilité et le nombre total de galaxies cartographiées. Il ne s’agissait pas d’une seule exposition : les images provenaient de trois relevés, MzLS, DECaLS et BASS, et d’un effort de six ans totalisant 1 405 nuits d’observation.

Le volume de travail donne également une idée de l’ampleur du projet : la note de NOIRLab évaluait le volume des données à un pétaoctet et le traitement à cent millions d’heures de CPU. Dans leur ensemble, ces images et leur traitement ont permis de préparer un catalogue destiné à choisir les objets qui seraient ensuite observés avec DESI.

Choisir les cibles de DESI

La carte d’images n’avait pas pour fonction de mesurer à elle seule la distance de tous les objets. Elle servait à localiser des candidats et à sélectionner des cibles pour le relevé spectroscopique. Dans le plan décrit en 2021, la collaboration DESI prévoyait de choisir 35 millions de galaxies et 2,4 millions de quasars. Selon la note, certains de ces objets se trouvaient à une distance pouvant atteindre 12 milliards d’années-lumière.

Un quasar est l’un des types d’objets inclus dans la sélection de DESI ; dans ce contexte, l’important est que les galaxies comme les quasars peuvent être ciblés par les mesures spectroscopiques. La carte permettait de les identifier et d’orienter les observations vers eux. Le catalogue bidimensionnel servait ainsi de guide pour organiser le travail ultérieur, et non de substitut aux mesures qui ajoutent la dimension de profondeur.

Ce qu’apporte un spectre

Pour obtenir un spectre, DESI sépare la lumière de chaque galaxie en fines bandes de couleur. Selon la description du projet, la répartition de cette lumière permet à l’équipe de mesurer les distances et la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent de nous. En associant ces mesures à la position de chaque objet sur la carte du ciel, il est possible de construire une représentation tridimensionnelle : on sait non seulement vers quelle région regarder, mais aussi comment les objets se répartissent en profondeur cosmique.

L’instrument automatise les observations au moyen de 5 000 robots orientables. Chacun porte une fine fibre optique qui peut être dirigée vers une galaxie individuelle ; la conception permet de mesurer les spectres de jusqu’à 5 000 galaxies à la fois. Cette capacité permet de travailler sur une très vaste sélection d’objets au cours du relevé, dont l’annonce prévoyait une durée de cinq ans.

Des positions à la structure tridimensionnelle

La carte d’images et la carte 3D répondent donc à des questions différentes. La première décrit la répartition des sources sur la voûte céleste et aide à préparer la sélection des cibles. DESI ajoute des mesures de lumière qui permettent de situer les objets en profondeur et d’enregistrer la vitesse à laquelle ils s’éloignent. Le résultat recherché est une cartographie plus complète de la répartition des galaxies et des quasars dans l’Univers.

NOIRLab a expliqué que les mesures de DESI pouvaient fournir des informations sur la nature de l’énergie sombre, associée dans la note à l’expansion accélérée de l’Univers. Cet objectif scientifique dépend de l’ensemble des observations et de leur analyse : la carte d’images est une étape préparatoire, tandis que les spectres fournissent les mesures nécessaires pour tracer la répartition tridimensionnelle.

L’idée centrale est simple, même si sa mise en œuvre exige une infrastructure étendue : d’abord, des images larges et homogènes aident à localiser et à sélectionner les objets ; ensuite, des fibres optiques recueillent leur lumière et DESI la décompose en couleurs. En combinant la position dans le ciel et les mesures spectroscopiques, une carte plane devient le point de départ pour mesurer l’organisation de l’Univers en trois dimensions.