10 Mars 2016

Mission

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Objectifs Scientifiques

Euclid est une mission de l'ESA pour cartographier la géométrie de l'Univers sombre. La mission recherchera les relations distance-décalage vers le rouge ainsi que l'évolution des structures cosmiques. Elle y parviendra en mesurant la forme et le décalage vers le rouge de galaxies et d'amas de galaxies dont le décalage est entre 0 et ~2, ce qui équivaut à regarder à 10 milliards d'années dans le passé. Elle couvrira donc ainsi toute la période au cours de laquelle l'énergie sombre a joué un rôle significatif dans l'accélération de l'expansion.Proportions matière normale, matière noire, énergie sombre

Jusqu'à il y a environ trente ans les astronomes pensaient que l'Univers était composé presque entièrement de matière ordinaire : protons, neutrons, électrons et atomes. Depuis lors l'image émergeante de la composition de l'Univers a très fortement changée. Nous supposons maintenant que cette matière ordinaire ne compose que 5% de l'Univers, et que le bilan masse-énergie de l'Univers est en fait dominé par deux composants mystérieux : l'énergie sombre et la matière noire.

L'énergie sombre, qui rend compte de la grande majorité (69%) de la densité d'énergie de l'Univers, est la cause de l'accélération de l'expansion de l'Univers. L'existence et la gamme d'énergie de l'énergie sombre ne peut pas être expliquée avec nos connaissances actuelles en physique fondamentale.

Les 26% de densité d'énergie restant viennent de la matière noire, qui, comme la matière ordinaire, exerce une attraction gravitationnelle, mais contrairement à la matière normale n'émet pas de lumière. La nature de la matière noire est inconnue, bien que plusieurs candidats soient prédits par extensions super-symétriques du modèle standard de la physique des particules. Des candidats plausible pour la matière noire froide sont les axions et les particules les plus légères super-symétriques ; les neutrinos massifs peuvent rendre compte de la matière noire chaude. Une possibilité d'expliquer l'un ou les deux de ces composants inexpliqués est que la Théorie de la Relativité Générale d'Einstein, et donc notre compréhension de la gravité, a besoin d'être révisée aux échelles cosmologiques. Ensemble, l'énergie sombre et la matière noire posent quelques unes des plus importantes questions en physique fondamentale.

Euclid est optimisé pour deux sondages cosmologiques primaires :

  1. L'effet de lentille gravitationnelle faible (Weak gravitational Lensing : WL): Les lentilles gravitationnelles sont utilisées pour cartographier la matière noire et pour mesurer l'énergie sombre par la mesure de la distorsion des images d'une galaxie dues aux inhomogénéités de masses le long de la ligne de vue.
  2. Les oscillations acoustiques baryoniques (Baryonic Acoustic Oscillations : BAO): les BAO se traduisent par des structures ondulés, imprimées dans la structure de l'Univers, elles fournissent une règle standard pour mesurer l'énergie sombre et l'expansion de l'Univers.

L'utilisation de l'effet des lentilles gravitationnelles faibles requiert des images d'extrêmement haute qualité car les distorsions possibles de l'image par le système optique doivent être supprimées ou éliminées par étalonnage pour pouvoir mesurer la réelle distorsion due à la gravité.

Illustrations de l'effet d'une lentille sur une image à symétrie circulaire et dans l'amas de galaxie Abell 1689
Illustrations de l'effet d'une lentille sur une image à symétrie circulaire.
Dans l'amas de galaxie Abell 1689, des arcs de lentilles fortes peuvent être vus autour de l'amas.
Toutes les galaxies de l'arrière plan subissent un effet de lentille faible. Crédit pour Abell 1669 :
NASA, ESA, et Johan Richard (Caltech, USA)

L'utilisation des oscillations acoustiques baryonique d'Euclid implique la détermination du décalage dans le rouge des galaxies à mieux que 0.1%, ceci ne peut être accompli que par spectroscopie.

 NASA, ESA, et R. Massey.
Illustrations de l'effet de lentille gravitationnelle : La distribution de matière noire mesurée lors de la campagne HST COSMOS utilisant l'effet de lentille gravitationnelle faible. Cette campagne couvre une région correspondant à 8 fois la taille de la Lune. Euclid produira des cartes 3-D de matière noire de plus haute résolution d'une grande partie du ciel. Crédit : NASA, ESA, et R. Massey.
 Les amas de galaxie en tant que sonde de la géométrie de l'Univers. Les mêmes figures acoustiques (BAO) vues dans le CMB (fond cosmique micro-onde) peuvent être observées dans la distribution des galaxies, fournissant une règle cosmologique standard.
Illustration des oscillations acoustiques baryonique : Les amas de galaxie en tant que sonde de la géométrie de l'Univers. Les mêmes figures acoustiques (BAO) vues dans le CMB (fond cosmique micro-onde) peuvent être observées dans la distribution des galaxies, fournissant une règle cosmologique standard.

Étudiées dans le même volume cosmique, ces techniques fourniront non seulement un examen croisé systématique, mais aussi une mesure des structures à grande échelle pour différents champs physiques (potentiel, densité, vitesses), qui sont requis pour tester l'énergie sombre et la gravité aux échelles cosmologiques.

Avec ses capacités large champ et sa conception à haute précision, Euclid :

  1. Recherchera les propriétés de l'énergie sombre en mesurant précisément l'accélération ainsi que la variation d'accélération à différents âges de l'Univers ;
  2. Testera la validité de la relativité générale à l'échelle cosmique ;
  3. Recherchera la nature et les propriétés de la matière noire en cartographiant en 3 dimensions la distribution de matière noire dans l'Univers ;
  4. Raffinera les conditions au début de notre Univers, qui ont initié la formation des structures cosmiques que nous voyons aujourd'hui.

Euclid est donc prêt à découvrir une nouvelle physique en défiant tous les secteurs du modèle cosmologique. La campagne Euclid peut donc être vue comme une cartographie 3-dimensionnelle du faible décalage vers le rouge analogue et un complémentaire à la carte de l'Univers en grand décalage vers le rouge fournis par la mission Planck de l'ESA.

Science additionnelle avec Euclid

Euclid produira une quantité importante d'images profondes et de spectres d'au moins la moitié du ciel. Ce sera une source unique pour la communauté astronomique et aura un impact sur tous les domaines de l'astronomie. La résolution spatiale d'Euclid de 0.2 secondes d'arc est uniquement atteignable depuis l'espace, et est comparable au Télescope Spatial Hubble. Avec Euclid, la majorité des nouvelles sources identifiées par les futurs observatoires imageurs, depuis la radio jusqu'aux rayons X, sera rapidement associé au décalage dans le rouge connu, jusqu'au décalage z~2. Ceci ajoute un énorme pouvoir au retour scientifique de ces autres projets, car cela élimine la phase couteuse du suivi du décalage dans le rouge. Euclid sera une machine à découverte sur une échelle sans précédent, et pourrait bien être l'alimentation principale des études détaillées à la fois des moyens au sol et des futurs satellites.

Mission

Euclid sera injecté sur une orbite de transfert directe par un vaisseau Soyouz ST 2-1b lancé depuis le port spatial européen en Guyane française. La phase de transfert vers l'orbite ciblée autour du second point de Lagrange Terre-Soleil L2, durera approximativement 30 jours. Une manœuvre de correction aura lieu après deux jours de vol, une fois que suffisamment de données de suivi auront été acquises pour évaluer l'erreur de vitesse radiale dues aux incertitudes sur les conditions durant le lancement. La recette en vol du satellite et des instruments commencera pendant la phase de transfert. Aucune manœuvre d'insertion n'est nécessaire pour atteindre l'orbite choisie.

Une orbite en halo de large amplitude (~1x106 km) autour du second point de Lagrange du système Terre-Soleil (L2) a été sélectionnée car elle offre des conditions d'opération optimum pour Euclid : un environnement radiatif bénin, qui est nécessaire pour les détecteurs sensibles et des conditions d'observations très stables, qui sont suffisamment loin du système perturbateur Terre-Lune. De plus, la quantité d'ergol nécessaire est très favorable en comparaison avec les orbites alternatives.

Pour supporter le volume de données sans précédent généré par Euclid en L2, des communications en bande K (25,5-27 GHz) seront utilisées, ce qui offre un débit de transfert de 55 Mbits/s. En raison de la grande variation d'angle Soleil-satellite-Terre, un mécanisme d'antenne à deux degrés de liberté est requis pour maintenir le lien de télémesure avec la Terre.

L'orbite sélectionnée est sans éclipse. Les manœuvres de correction de trajectoire seront réalisées tous les 30 jours.

Stratégie de parcours du ciel Euclid

Stragégie de parcours du ciel EuclidEuclid surveillera le ciel en mode 'step-and-stare' : le télescope réalisera des images et de des spectres sur une grande partie du ciel par pointés successifs adjacents de ~0.5 deg².

La stratégie de couverture du ciel est dirigées par le besoin de couvrir 20,000 deg² du ciel extragalactique pendant les 5 ans que dure la mission. Les principales considérations derrière cette stratégie de d'observation sont :

  • Les contraintes de l'orbite L2 et le champ de vue du satellite ; La ligne Soleil-satellite tourne d'1 degré par jour dans le plan de l'écliptique.
  • Le maintien de la stabilité thermique du satellite contraint la direction de pointage à être le plus possible perpendiculaire à l'axe Soleil-satellite. Ceci signifie que pour un jour donné de la mission, la zone observée est principalement confinée à un grand cercle perpendiculaire à l'axe Soleil-satellite.
  • Les temps d'exposition fondamentaux des instruments et la taille du champ, qui est de 0.5x1.0 deg².

Pour les canaux imageurs, un tâtonnement est nécessaire pour sur-échantillonner la PSF pour remplir les vides entre les détecteurs, et pour s'assurer que le champ est entièrement couvert.

Sur une base quotidienne, Euclid observera une bande : ce sont des observations de champs de ciel adjacents le long d'un grand cercle de longitude écliptique (quasi) constante. Une bande de l'ordre de 15-20 degrés de long peut être couverte, en fonction de la géométrie des instruments dans le champ de vue et du temps d'intégration par champ. Pendant l'étude d'évaluation, un champ de 0.5 degré de large et un temps d'exposition de 2400 s par champ a été supposé, dans ce cas, la couverture journalière serai une bande d'environ 18 degrés.

Sur une base d'approximativement 3-4 semaines, un secteur sera observé : ceci représente une zone carrée d'environ 400 deg². La géométrie du secteur est grossièrement de 20x20 deg², mais des variations significatives sont attendues en fonction de la latitude précise de l'écliptique galactique du secteur. Après 6 mois, la direction de pointage du satellite est renversée (le long d'un grand cercle de l'écliptique) pour observer des secteurs dans l'hémisphère opposé.

Le ciel extragalactique est actuellement défini par les régions couvrant les latitudes supérieures à 30 degrés. L'alignement du plan galactique par rapport au plan de l'écliptique fait que le ciel extragalactique est difficilement accessible durant les équinoxes (c'est-à-dire autour du 21 mars et 21 septembre).

Le suivi profond couvrira ~40 deg², et est constitué de secteurs d'au moins 10 deg² qui sont environ 2 magnitudes plus profond que le suivi large. Le suivi profond est obtenu par des visites régulières des mêmes zones du ciel à intervalles réguliers pendant la mission. On utilise le même mode d'observation que pour le suivi large pour s'assurer de la stabilité temporelle du système.