NIKA2 est une caméra cryogénique millimétrique, opérant à 150 et 260 GHz et comportant 2900 KID refroidis à 100 mK, qui est installée au télescope de 30 mètres de l’IRAM. Elle a été construite par une collaboration internationale dont le LPSC est membre fondateur. L’équipe COSMO-ML a joué un rôle majeur dans le développement et la construction de la caméra NIKA2. Elle a eu la responsabilité de la mise en service de l’expérience, de la calibration et de la caractérisation de ses performances. La collaboration NIKA2 dispose d’un temps garanti d’observation (1300 heures en 4 ans), qui est le plus grand jamais alloué par l’IRAM à une unique collaboration. Il a été partagé en cinq programmes d’observation correspondant à cinq objectifs scientifiques, avec en particulier le Grand Programme d’observations SZ (LPSZ ci-après) dont l’équipe COSMO-ML est responsable. Nous assumons des responsabilités importantes au sein de la collaboration : project scientist, responsable editorial board, responsable LPSZ, etc. La caméra NIKA2 permet également la mesure de la polarisation à 260 GHz, domaine dans lequel l’équipe a également joué un rôle clef. L’implication des services techniques du LPSC a été significative et décisive pour la réussite de ce projet. Un Memorandum of Understanding (MoU) a été signé entre l’IRAM et les instituts concernés (dont IN2P3). Il stipule que la collaboration NIKA2 fournira le support pour le fonctionnement de NIKA2 jusqu’en 2028 (10 ans au télescope). De plus, nous participons également en tant que PI et co-PI à des observations open time sur des sujets variés (amas de galaxies en SZ, pulsars).
NIKA2 a été précédée par la caméra NIKA, également construite et conçue par la collaboration NIKA2 avec une contribution majeure du LPSC. Son champ de vision était plus petit (1,8 arcmin) du fait du nombre réduit de détecteurs (356). Elle a été utilisée au télescope de 30 mètres de l’IRAM de 2012 à 2015. Dans ce cadre, nous avons observé un échantillon de six d’amas en SZ et également fait des observations de haute qualité en polarisation.
Le Grand Programme d’observations SZ (LPSZ) est une collaboration internationale menant un programme multi-sondes (X, SZ, optique) et multi-instruments (XMM-Newton, NIKA2, GTC) qui vise à optimiser l’exploitation scientifique des relevés cosmologiques en SZ passés (Planck, ACT et SPT) et futurs (CMB-S4, Simons Observatory.). Le LPSZ bénéficie de 300 heures d’observation accordées par l’IRAM. Ce programme international de recherche comporte 10 laboratoires participants (LPSC, IP2I Lyon, INSU, CEA, Rome, Madrid, Tenerife). L’objectif scientifique est d’étalonner en masse un échantillon représentatif constitué de 38 amas de galaxies sélectionnés en SZ (catalogues Planck et ACT) à un décalage vers le rouge moyen à élevé (0,5 <z <0,9) et couvrant un ordre de grandeur en masse. Ces observations permettent de mener une étude complète de la morphologie et de l’évolution des amas. De plus, ces données sont combinées aux données X du satellite XMM-Newton afin d’étudier les profils thermodynamiques radiaux (densité, pression, masse, température, entropie). Ces derniers sont essentiels pour une compréhension complète de la relation observable-masse des amas de galaxies et de leur profil moyen de pression. Ces deux livrables permettront in fine d’exploiter les grands relevés d’amas pour contraindre la cosmologie. L’observation de ces amas a représenté 29 campagnes d’observation (de 1 à 2 semaines), ce qui a nécessité une très forte implication de l’équipe pour les observations au télescope et les étalonnages a posteriori.
A ce jour, la totalité des amas a été observé. Les premières publications ont permis de montrer l’importance joué par l’état de perturbation et la présence de sources ponctuelles dans l’estimation de la masse des amas. Les publications cosmologiques (relation d’échelle, profil moyen de pression et applications) sont prévues pour fin 2024.
L’équipe COSMO-ML a obtenu plusieurs résultats d’importance. Avec NIKA, nous avons effectué la première cartographie SZ avec une caméra à base de KID [R. Adam et al., A&A 2014]. L’observation de l’amas MACS J0717.5 + 3745 nous a permis de publier deux résultats majeurs : la première cartographie de l’effet Sunyaev-Zel'dovich cinétique indépendante des modèles [R. Adam et al., A&A 2017a] ainsi que la première carte de température obtenue en combinant les données X et SZ [R. Adam et al., A&A 2017b]. Nous avons proposé dans [F. Ruppin et al., A&A 2017] une nouvelle procédure de déprojection non paramétrique de la pression électronique du milieu intra-amas, depuis le cœur de l’amas jusqu’à ses régions périphériques. La totalité des données de cet échantillon pilote a été rendue publique. Avec NIKA2, les premières études ont représenté des étapes importantes pour l'estimation des effets systématiques et la préparation des résultats cosmologiques. Dans [F. Ruppin et al., A&A 2018], nous avons étudié l'impact des sous-structures sur l'estimation de la masse. La publication [F. Kéruzoré et al. A&A 2020] a notamment présenté la méthode développée pour propager les incertitudes liées à la contamination des sources ponctuelles aux profils de pression. Dans [A. Ferragamo et al., A&A 2022, M. Muñoz-Echeverría et al., A&A 2023], nous avons étudié l'impact des effets systématiques sur la reconstruction de la masse dans le cas de l'amas de galaxies CLJ1227 et PSZ2G144. La comparaison avec les données de lentillage a permis d’estimer le biais hydrostatique. L’article [F. Kéruzoré et al., OJA 2023] accompagne la diffusion publique du code PANCO2 destiné à l’évaluation des profils de pression du milieu intra-amas à partir d’observations SZ. Il s’agit d’une avancée considérable dans l’optique de l’analyse complète du LPSZ et de l’étude des systématiques associées. Ce code a été pensé pour être extrêmement rapide mais aussi versatile afin d’être utilisable par d’autres collaborations.
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Par ailleurs, nous avons mis en place une activité en simulation hydrodynamique. Elle s’inscrit dans le cadre de la collaboration internationale The300. Nous avons proposé de créer une réplique synthétique de l’échantillon d’amas du Grand Programme SZ. Cela permet d’étudier les biais et les effets systématiques induits par la morphologie des amas. Dans une étude pilote (simulation Music), nous avons montré [F. Ruppin et al., A&A 2019] l’impact des perturbations du milieu intra-amas sur le profil moyen de pression. Dans [G. Gianfagna et al., MNRAS 2021], nous avons étudié le biais hydrostatique dans l’échantillon jumeau synthétique du LPSZ. Plus récemment, la publication [M. Muñoz-Echeverría et al., A&A 2024] a permis de montrer l’importance des incertitudes de modélisation et de la dispersion intrinsèque qui devraient être prises en compte lors de l'utilisation des estimations de masse pour les relations d'échelle. Nous confirmons que l'orientation des amas et les intervalles de rayon considérés pour l'ajustement ont un impact important sur le biais de masse.
L'équipe COSMO-ML a également joué un rôle clé dans le développement de la polarisation avec les caméras NIKA et NIKA2. Nous avons pris en charge la conception et la construction du modulateur de polarisation basé sur une lame demi-onde rotative. En outre, le pipeline de traitement des données polarisées a été développé en collaboration avec l'équipe de l'IPAG. Cela nous a permis d'obtenir les premiers résultats scientifiques en polarisation avec des matrices de KIDs [A. Ritacco et al., A&A 2017, 2018]. Récemment, l'équipe s'est également fortement impliquée dans la mise en service de la polarisation de NIKA2, ce qui nous a également permis d'obtenir les premiers résultats scientifiques [A. Ritacco et al., EPJ 2022]. Les observations du Grand Programme en polarisation viennent de démarrer à l’IRAM. Cette activité s’inscrit dans l’objectif de calibrer en polarisation les futures expériences CMB.
La stratégie de synergie multi-instituts entre l'INP, l'INSU, l'IN2P3 et le CEA, qui est à la base des succès de NIKA et NIKA2, est largement reconnue. Nous avons ainsi obtenu 2 financements ANR très conséquents : "NIKA" (ANR-12-BS05-0007), dédié à la construction de l'instrument NIKA2, et NIKA2Sky (ANR-15-CE31-0017), dont le LPSC est porteur et qui a été attribué pour soutenir l'exploitation scientifique. L’implication forte de l’équipe dans NIKA et NIKA2 a donné lieu à la publication de 35 articles, dont 19 avec un membre de COSMO-ML en premier auteur, et a trouvé un écho certain dans la communauté mondiale. L’équipe COSMO-ML a été le cadre de 9 thèses sur NIKA2 (50 à 100%) dont 4 sont en cours.
L’avenir de l’activité scientifique autour de NIKA2 est d’une part à court terme (fin 2024) avec la publication des résultats scientifiques des grands programmes et en particulier les résultats cosmologiques du LPSZ, à moyen terme avec les observations et publications en polarisation et à plus long terme (2028) dans le cadre du MoU.
