Sonder la gravité aux échelles cosmologiques grâce au lancer de rayons relativistes – ProGraceRay

La nature de l’énergie noire est une question centrale de la cosmologie moderne : est-ce une constante cosmologique, une nouvelle composante fondamentale aux propriétés exotiques, ou la conséquence d’une modification de la gravité ? Le but du projet ProGraceRay est de construire des tests robustes de la gravité aux échelles cosmologiques tenant compte de l’impact de la physique relativiste de la lumière sur la distribution apparente de la matière. En effet, les photons ne se propagent pas en ligne droite et leur énergie n’est pas uniquement gouvernée par l’expansion de l’Univers homogène. Ainsi, les positions angulaires, formes, tailles et luminosités des sources sont changées par les effets de lentilles gravitationnelles faibles (WL). De même, la position radiale des galaxies déduite de leur redshift est perturbée ce qui modifie la distribution apparente des galaxies (distorsions de l’espace des redshifts ou RSD). Ce qui peut être vu comme du bruit s’avère en réalité du signal car ces effets sont porteurs d’informations cosmologiques : métrique le long de la ligne de visée (WL) et vitesses/potentiels des sources (RSD). Les études actuelles reposent sur de nombreuses approximations, pourtant les effets relativistes non-triviaux (habituellement négligés) peuvent contribuer à hauteur de 1 à 10% pour les analyses standards de WL et RSD, de 1 à 50% sur les corrélations entre densité et cisaillement et même à hauteur de 100% sur le dipôle de la fonction de corrélation-croisée des galaxies. Par ailleurs WL et RSD sont habituellement étudiés séparément dans deux communautés différentes. Cependant, dans le cadre des théories de gravité modifiée (MG) combiner WL et RSD est une nécessité afin d’extraire les deux potentiels de la métrique.
Le projet ProGraceRay s’appuie sur l’expertise complémentaire de ses participants: WL&RSD, échelles cosmologiques&galactiques, théorie&simulations, statistiques&systématiques. Nous proposons de réaliser la plus grande suite de simulations N-corps au monde de formation des structures avec MG grâce au code RAMSES. Ces simulations cosmologiques calculeront la distribution précise de la matière dans l’univers pour un vaste espace de théories de MG. Les halos de matière noire seront alors peuplés avec des galaxies en se calibrant directement sur des simulations hydrodynamiques avec MG permettant ainsi d’obtenir des prédictions ab-initio précises. Au lieu d’utiliser les approximations usuelles, nous utiliserons notre algorithme unique qui calcule la trajectoire fine de milliards de rayons lumineux au sein des cônes de lumière extraits des simulations N-corps en intégrant directement les équations géodésiques. Les catalogues synthétiques de galaxies ainsi produits contiendront pour la première fois tous les effets relativistes en champ faible, pour différents modèles de MG et pour des volumes commensurables à ceux couverts par les relevés à venir : du régime linéaire au régime non-linéaire de formation des grandes structures. ProGraceRay permettra d’étudier l’impact des effets relativistes et de la MG sur les statistiques à 1, 2 et 3 points de la distribution de galaxies ainsi que sur celles de la convergence et du cisaillement. Ces effets seront comparés aux systématiques observationnelles afin de définir les meilleures stratégies pour les extraire. En s’appuyant sur ces catalogues uniques, nous développerons des modèles analytiques et émulateurs que nous fournirons à la communauté. Ces outils permettront d’obtenir des prédictions précises et rapides des fonctions de corrélations relativistes en MG.
Un tel travail ne peut être réalisé que grâce à l’aide de postdoctorants et de moyens de calculs/stockage supplémentaires. L’impact attendu est important puisque les outils développés pourront être directement utilisés dans les grands consortia observationnels afin de contraindre la nature de l’énergie noire et de la gravité grâce aux grands relevés de galaxies imminents (DESI, Euclid, LSST).