Cartographie de lUnivers lointain avec des Lyman-Break Galaxies – HZ-3D-MAP

Le projet HZ-3D-MAP vise à aborder les questions fondamentales de la cosmologie à travers de nouvelles observables, rendues accessibles grâce à l'imagerie moderne et aux grands relevés spectroscopiques. Ce projet apportera un éclairage nouveau sur les questions clés suivantes. Quelle est l'origine de l'expansion primordiale de l'Univers appelée inflation ? Quelles sont les propriétés de la toile cosmique au fil du temps ? Quelle est la distribution du gaz dans le milieu intergalactique et autour des galaxies ?

Notre projet est conçu pour cartographier un grand volume de l'Univers avec une densité suffisante de galaxies de type Lyman-break (LBG), pour un décalage vers le rouge, (redshift) de 2.1 <z <3.5. Cet échantillon sera utilisé pour travailler sur trois projets principaux :<br />1) Nous mesurerons les fluctuations de densité à très grande échelle, nécessaires pour explorer l'inflation primordiale à travers la recherche de non-gaussianités. Nous étudierons le clustering des LBG dans le spectre de puissance angulaire.
2) Nous cartographierons l'univers lointain en utilisant l'absorption de l’hydrogène dans la forêt Ly-alpha détectée dans le spectre des LBG jusqu'à des échelles de 2Mpc. Cette tomographie à 3D fournira aussi des catalogues de vides et de proto-amas.
3) L'étude des paires proches constituées par une galaxie LBG et la forêt Ly-alpha d’un quasar permettra d’étudier la relation entre le gaz et les galaxies, un ingrédient clé pour notre compréhension de la formation des galaxies et pour étudier le milieu dit circum-galactique (CGM).

Nous sélectionnerons les LBG à l'aide des catalogues photométriques du CFHT, le Large Area U-band Deep Survey (CLAUDS), le Deep Euclid U band Survey (DEUS) et le Canada-France Imaging Survey (CFIS). CLAUDS est déjà terminé et le CFIS est réalisé à plus de 70%. Le relevé spectroscopique DESI, mené auprès du télescope Mayall de 4 mètres à Kitt Peak, fournira à la fois les redshifts des LBG, et leur forêt Ly-alpha. DESI peut observer simultanément 5000 objets sur 8 degrés carrés, de l'UV au NIR, avec une résolution spectrale moyenne, R~4000. Il est parfaitement adapté aux objectifs de cette proposition. Le relevé principal de DESI a commencé en mai 2021 pour une durée de 5 ans.

Au cours de la première année de HZ-3D-MAP, le catalogue profond CLAUDS nous permettra de finaliser la sélection des LBG et, combiné avec DESI, de mesurer les premières cartes 3D. Ensuite, CFIS, qui fournit une surface plus étendue, chevauchant la couverture du ciel de DESI, sera utilisé pour toute la surface de HZ-3D-MAP. Nous prévoyons trois relevés complémentaires :
1) Un large relevé photométrique de 9,000 deg. carré pour la mesure du clustering des LBG avec la fonction de corrélation angulaire. Nous visons une densité de cibles de 500 LBG par deg. carré pour r<23.8Les cibles LBGs sont sélectionnées avec le catalogue photométrique CFIS.
2) Un relevé spectroscopique profond de 100 degrés carrés pour la tomographie de l'IGM en utilisant la forêt Ly-alpha des LBG. Nous observerons un échantillon dense de 500 LBG par deg. carré pour r<23.8. Pour obtenir un rapport signal/bruit de l'ordre de 2 par pixel de 1Mpc, nous utiliserons un temps d'exposition pour DESI d'environ 5 heures.
3) Un relevé spectroscopique clairsemé, sur la couverture du ciel de DESI chevauchant l'empreinte CFIS. Pour les études CGM, nous attendons ~5 paires de (LBG-quasar) avec une petite séparation angulaire (<20-30'').

Nous allons structurer cette demande autour de trois activités complémentaires, chacune animée par un thème scientifique (le clustering à très grande échelle, la tomographie 3D et l'interaction entre galaxies et gaz). Le financement de l'ANR apportera principalement au projet les ressources nécessaires pour recruter trois post-doctorants, pour financer les missions aux US et organiser une conférence sur la cartographie de l'Univers lointain.