Les données Lyman-alpha de DESI : première analyse et contraintes sur les neutrinos et la matière noire – DESI-Lya

L'avènement des relevés optiques de nouvelle génération permet de faire un grand pas en avant sur des questions fondamentales de la physique des particules et de la cosmologie, dont les plus importantes sont les valeurs inconnues des masses des neutrinos (Mnu) et la nature de la matière noire (DM). La forêt Lyman-alpha (Ly-a) est une mesure des fluctuations de l'absorption de la lumière par l'hydrogène neutre à des décalages vers le rouge de 2 à 5. En tant que sonde unique des fluctuations de la matière à petite échelle et à grand décalage vers le rouge, elle constitue un outil précieux pour aborder ces questions. Le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) est le plus grand relevé spectroscopique cosmologique à grand champ au monde, qui a commencé son relevé principal en 2021. Il fournit maintenant des données sur la forêt Ly-a avec une statistique et une qualité sans précédent. De nouvelles mesures de Mnu et des propriétés de la DM seront donc possibles dans un avenir proche, à condition que les prédictions théoriques pour la forêt Ly-a soient calculées avec une précision adaptée à ces données.

Bénéficiant de la synergie déjà existante entre les groupes de Saclay et d'Aix-la-Chapelle, le projet DESI-Lya sera double. D'une part, il se concentrera sur l'étude des données DESI Ly-a à petite échelle. Cela se fera d'abord en appliquant les méthodes existantes pour mesurer le spectre de puissance 1D du flux d'absorption Ly-a. Cette mesure est très sensible aux propriétés instrumentales et aux systématiques associées, et nécessite donc un travail d’adaptation sur le nouvel instrument DESI. Dans un deuxième temps, une nouvelle approche pour mesurer le spectre de puissance du Ly-a en 3D à petite échelle sera mise en œuvre : cette mesure permettra pour la première fois un meilleur contrôle des propriétés thermiques du gaz intergalactique, un facteur clé pour répondre aux questions cosmologiques.

D'autre part, le projet DESI-Lya s'intéressera aux développements théoriques pour préparer l'interprétation cosmologique des données Ly-a. Nous travaillerons à l'optimisation de la détection d'un signal provenant des masses de neutrinos, en améliorant notamment la robustesse du signal en combinaison avec d'autres sondes cosmologiques. Les oscillations de neutrinos nous indiquent que la perspective de mesurer une valeur non nulle de Mnu est très plausible, ce qui rend cette étude d'un intérêt majeur. Nous modéliserons également l'impact des propriétés de la DM sur les observables Ly-a : sa distribution des vitesses, ses auto-interactions, etc. Ce travail permettra d'élargir les études précédentes, en testant de nouveaux types de modèles de DM.

Enfin, l'interprétation des données Ly-a, précises et à petite échelle, nécessite de modéliser en conséquence les propriétés thermiques et de densité du milieu intergalactique. Ceci est fait avec des simulations hydrodynamiques cosmologiques. D'importants progrès méthodologiques ont été réalisés au cours des dernières années afin d'optimiser l'utilisation de cet outil très gourmand en ressources informatiques, permettant de calculer des prédictions précises du Ly-a sur un large espace de paramètres cosmologiques et astrophysiques à un coût abordable. Au sein du projet DESI-Lya, nous utiliserons et optimiserons ces nouveaux outils, en particulier les émulateurs et les simulations hydrodynamiques optimisées les mieux adaptés à la forêt Ly-a. Au total, le projet DESI-Lya conduira à une contrainte forte et robuste sans précédent sur Mnu à partir des données Ly-a, ou à un indice significatif d'une détection, et à de nouvelles perspectives sur les propriétés de la DM.