MULTIVERSE — Etude multi-échelles de l’évolution des structures de l’Univers

L'Univers visible est fortement structuré. La plupart des étoiles s'organisent en galaxies, qui à leur tour se regroupent à grande échelle le long de filaments cosmiques séparés par de grands vides, définissant une structure complexe 3-D appelée la "Toile Cosmique". Au croisement de ces filaments, les noeuds de la toile cosmique, se trouvent les amas de galaxies. La formation et l'évolution de cette structure est une question centrale de la cosmologie moderne. Ces dernières années, la cosmologie a fait des progrès spectaculaires, de la mesure concordante des paramètres cosmologiques, montrant que nous vivons dans un Univers dominé par la matière et l'énergie noire, à la caractérisation des fluctuations de densité primordiales. Nous avons désormais un modèle robuste de la structuration de la matière noire, à partir de ces fluctuations, sous l'effet de la gravitation. Cependant nous disposons de très peu d'observations directes. Nous comprenons aussi très mal l'évolution de la composante baryonique de l'Univers, qui est sujette à de nombreux processus physiques complexes comme le refroidissement radiatif ou la rétro-action de la formation des galaxies sur le milieu intergalactique, via e.g., l'injection d'énergie liée aux explosions stellaires ou l'accrétion sur les trous noirs centraux. Par ailleurs, plus de la moitié des baryons, en masse, échappe à toute détection dans l'Univers local et est soupçonnée se trouver dans les structures filamentaires. Les observations et les modèles actuels indiquent que la formation des structures baryoniques à différentes échelles est fondamentalement connectée: la formation des galaxies dépend de l'environnement à grande échelle et des conditions physiques du gaz intergalactique à partir duquel elles se forment ; ce gaz est affecté par la rétro-action de la formation des galaxies. Avec ce projet, nous allons apporter une vision nouvelle de la physique de formation des structures par une approche multi-échelle testant l'évolution de la matière à grande échelle, des premiers assemblages de galaxies autour des sur-densités du champ initial de densité, à la population des amas de galaxies, et aux filaments qui les lient. A partir de nouvelles données multi-longueurs d'onde (e.g avec XMM, Herschel, Planck, ALMA), et de simulations numériques de la formation des structures, et en développant des méthodes statistiques originales, nous nous focaliserons sur les objectifs intimement liés suivants : 1. Tester notre compréhension de l’effondrement de la matière noire à l'échelle des amas à partir de l'évolution de leurs profils de matière noire obtenus grâce au suivi XMM d'amas massifs détectés dans le relevé Planck. 2. Séparer et comprendre le rôle des processus gravitationnel et de chacun des processus non gravitationnel (refroidissement du gaz et la rétroaction de la formation des galaxies) sur les propriétés du gaz intra-amas en quantifiant l'évolution de ses propriétés structurelles et d'échelle en SZ et en X, comparées aux prédictions des simulation numériques. 3. Caractériser la distribution des baryons diffus à grande échelle et fournir de nouvelles contraintes observationnelles sur les champs de vitesses aux grandes échelles, signature de la formation et de l'évolution des grandes structures, à partir de corrélations croisées entre les cartes Planck du rayonnement fossile et les grands relevés de galaxies. 4. Entreprendre la première recherche et l’étude systématique de la population des progéniteurs des amas de galaxies dans le relevé Planck via l’émission IR/sub-mm de leur galaxies à flambée d’étoiles. Comparer leur propriétés à celles des galaxies d’amas massifs. Cette population méconnue d’objets reste un chaînon manquant dans le contexte de la formation des halos massifs. Les produits attendus de notre projet seront aussi hautement pertinents pour des études cosmologiques comme les contraintes sur l’équation d’état de l’énergie noire ou l’étude de cosmologies alternatives.