Les amas de galaxies

L'amas de Pandore, Abell 2744 (II)

L'un des amas de galaxies les plus éloignés découverts à ce jour est l'amas de Pandore ou Abell 2744 (ACO 2744) situé dans la constellation du Sculpteur à z=0.308 soit 3.5 milliards d'années-lumière présenté ci-dessous à gauche.

Concernant les ordres de grandeur, l'image couvre un minuscule champ de 2'x3' seulement (par comparaison, les galaxies proches occupent un champ 10 fois plus étendu comme M101 qui couvre 19.5'x12' ou M81 qui couvre 25'x12', sans parler de M31 qui couvre au moins 3°x1°).

Pandora comprend une centaine de galaxies "brillantes", ce qui est relatif quand on sait que la magnitude de la plus brillante est de +28.61. Il s'agit de jeunes galaxies en train de produire des étoiles, d'où leur éclat. La galaxie la plus brillante produit des étoiles à un rythme 50 fois plus rapide que la Voie Lactée de nos jours. Ces galaxies mesurent 1/20^e de la taille de notre Galaxie mais contiennent chacune probablement environ 1 milliard d'étoiles très rapprochées les unes des autres.

A voir : Zoom in Abell 2744

Zoom plus lent dans Abell 2744

A gauche, l'amas de Pandore ou Abell 2744 situé à 3.5 milliards d'années-lumière, les galaxies à l'arrière-plan étant situées à plus de 12 milliards d'années-lumière. Il s'agit d'une image composite visible/IR. Le champ couvre 2'x3' d'arc. Au centre, une vue générale de Pandora dans les rayonnements visible et X. Les zones rouges représentent les émissions X tandis que les zones bleues indiquent la présente de matière sombre en interaction avec le gaz chaud et à l'origine des effets de lentilles gravitationnelles. Cette matière sombre invisible représente environ 75% de la masse de cet amas. A droite, le rayonnement de l'amas dans le rayonnement X où il brille 4 fois plus qu'en lumière blanche. Documents NASA/ESA/STScI/Spitzer et Chandra.

Comme des milliers d'autres amas, celui de Pandore est apparemment ordinaire mais il cache en fait l'une des plus grandes énigmes de l'astrophysique et de la cosmologie. En effet, dans le cadre du programme "Frontier Fields" (cf. aussi STScI), en analysant les photographies de l'amas de Pandore en détails les astronomes ont dénombré à l'arrière-plan quelques 3000 galaxies situées à plus de 12 milliards d'années-lumière et 10 à 20 fois plus brillantes que la plupart des autres galaxies situées à cette distance. Mais situées à z = 10, elles apparaissent comme de faibles taches rouges (cf. les images du HST).

Rappelons que l'amas de Pandore est contemporain de la galaxie z8_GND_5296 (z= 7.51) et contient plusieurs autres galaxies très éloignées dont Abell 2744_Y1 située à z = 7.98 soit plus de 13.14 milliards d'années-lumière.

Des études ont également montré que les galaxies les plus éloignées sont impliquées dans le processus de réionisation de l'univers. On y reviendra dans l'article consacré aux galaxies les plus lointaines.

Mais il y a plus étonnant encore. Selon les astronomes du STScI, l'ensemble de l'amas de Pandore représente une masse de 4x10¹² M soit 4000 milliards de soleils !

L'amas de Pandore a également été analysé dans le rayonnement X par le satellite Chandra, comme on le voit sur les images ci-dessus à droite. On a découvert que 20% de la masse de l'amas est représentée par les galaxies, 5% de sa masse est constituée de gaz chaud (100000 à 10 millions de degrés) tandis qu'environ 75% de sa masse soit 3000 milliards de masses solaires sont constituées de matière sombre invisible ! Cette matière n'émet pas, n'aborbe pas et ne réfléchit pas la lumière. Bien qu'elle se manifeste à travers son attraction gravitationnelle, elle interagit peu avec la matière ordinaire. Aussi, la seule manière de la débusquer est de l'observer lors de ses rares interactions avec les nuages chauds intra-amas ou dans les lentilles gravitationnelles. Ce sont justement ces deux phénomènes qu'on peut observer dans les amas de Pandore, MACS J0416.1-2403 et Abell S1063 parmi d'autres (cf. la lumière intra-amas des galaxies bleues).

En raison de la masse colossale de l'amas de Pandore, certaines petites galaxies y compris celles présentant un grand redshift (z=8 à 10) présentent des effets de lentilles gravitationnelles (cf. la relativité générale), leur image se démultipliant jusqu'à trois fois autour de la masse déformante (cf. cette image ainsi que les articles de P.A.Oesch et al., ApJ 808, p104, 2015 et D.Lam et al., ApJ 797, p98, 2014).

En simulant précisément la manière dont ces images sont déformées, les astronomes ont pu localiser cette masse - la matière sombre - qui se situe dans toute la zone bleue ci-dessus.

Cette matière sombre reste une énigme pour les chercheurs. Aussi nous prendrons le temps d'étudier ce sujet en détail en cosmologie.

Le sens de rotation privilégié des galaxies spirales

Depuis l'époque d'Edwin Hubble, les astronomes ont toujours cru que les galaxies étaient distribuées aléatoirement dans l'Univers. Mais dans une étude publiée dans les "Astronomical Notes" en 2020, l'informaticien et astronome Lior Shamir de l'Université d'État du Kansas mit en évidence des liens inattendus entre le sens de rotation des galaxies et leur structure suggérant que l'univers primordial était peut-être en rotation.

Shamir analysa plus de 200000 galaxies spirales du sondage SDSS (Sloan Digital Sky Survey) et mit en évidence une asymétrie entre le nombre de galaxies spirales tournant dans le sens horlogé et celles tournant dans le sens antihorlogé ainsi qu'un axe dipolaire. Ces résultats concordent largement avec les rapports précédents utilisant des ensembles plus petits de données. Selon Shamir, "Le motif géométrique présenté par la distribution des galaxies spirales est clair, mais ne peut être observé que lors de l'analyse d'un très grand nombre d'objets astronomiques."

Une galaxie spirale est un objet astronomique unique car son apparence visuelle dépend de la perspective de l'observateur. Ainsi, une galaxie spirale tournant dans le sens horlogé vue de la Terre, semble tourner dans le sens antihorlogé lorsque l'observateur est situé du côté opposé de notre Galaxie.

Si l'univers est isotrope et ne présente pas de structures, le nombre de galaxies tournant dans l'un ou l'autre sens doit être à peu près égal. Or selon les analyses de Shamir, ce n'est pas le cas. La différence est faible, un peu plus de 2%, mais avec le nombre élevé de galaxies, il y a une probabilité inférieure à 1 sur 4 milliards que cette asymétrie soit due au hasard.

Les modèles utilisés englobent un volume d'espace qui s'étend sur plus de 4 milliards d'années-lumière. Shamir a constaté que l'asymétrie dans cette plage n'est pas uniforme; elle augmente lorsque les galaxies sont plus éloignées de la Terre, ce qui suggère que l'univers primordial était plus structuré et moins chaotique que l'univers actuel.

Les modèles ne montrent pas seulement que l'univers n'est pas symétrique, mais également que l'asymétrie change dans différentes parties de l'univers et que ces différences représentent un modèle unique de multipôles. Selon Shamir, "Si l'univers a un axe, ce n'est pas un simple axe unique comme un manège. C'est un alignement complexe de plusieurs axes qui ont également une certaine dérive." Notons que le concept de multipôles cosmologiques n'est pas nouveau (cf. les missions COBE, WMAP et Planck).

Peut-il y avoir une erreur d'analyse ou un biais dans les données ? L'asymétrie entre les sens de rotation des galaxies spirales est une mesure qui n'est pas sensible à l'obstruction comme peut l'être l'observation en optique. Ce qui peut gêner les galaxies tournant dans un sens dans un certain champ entravera nécessairement les galaxies tournant dans le sens opposé.

Selon Shamir, "Il n'y a aucune erreur ou contamination qui pourrait se manifester à travers des modèles aussi uniques, complexes et cohérents. Nous avons deux relevés du ciel différents montrant les mêmes motifs, même lorsque les galaxies sont complètement différentes. Il n'y a aucune erreur qui puisse l'expliquer. C'est l'univers dans lequel nous vivons."

Si ce phénomène de rotation doit encore être approfondi, s'il est confirmé se pose alors une autre question bien plus complexe : si l'univers est en rotation, par rapport à quel référentiel ? Autrement dit, "dans quoi tourne-t-il" puisqu'il est censé tout contenir ? La réponse n'est pas dans les livres.

L'alignement du spin des galaxies

Une équipe internationale d'astrophysiciens dirigée par Charlotte Welker de l'Université McMaster au Canada a analysé 1418 galaxies d'amas extraites du sondage galactique SAMI (Sydney-AAO Multi-object Integral-field spectrograph) et a découvert que les petites galaxies sont orientées différemment des grandes galaxies. Cette orientation ou spin dépend de leur masse. C'est la première fois que les astronomes observent cet effet. Les résultats de cette découverte furent publiés dans les "MNRAS" en 2019 (en PDF sur arXiv).

Rappelons que le concept de "filaments" se réfère à des formations massives à l'échelle cosmique en forme de filaments. Il s'agit de zones comprenant d'énormes quantités de matière, notamment des galaxies, du gaz et, selon les modélisations, de la matière sombre (ou noire). Ces filaments peuvent s'étendre sur 500 millions d'années-lumière pour "seulement" 20 millions d'années-lumière de largeur. A très grande échelle, les filaments tissent un vaste réseau gravitationnellement lié entre lesquels se trouvent d'énormes vides contenant très peu voire aucune galaxie mais remplis de matière sombre. Comme on le voit sur la simulation présentée à gauche, ces filaments forment une "tapisserie" ou une "toile cosmique" à l'image d'un nid d'abeilles. On reviendra sur les amas de galaxies dans l'article consacré à la structure de l'Univers.

Les chercheurs ont exploité le spectrographe de champ intégral multi-objets SAMI installé sur le télescope anlo-australien AAT de 3.9 de l'Observatoire de Siding Spring, un instrument de pointe qui permet de cartographier et d'obtenir une image 3D d'une galaxie en même temps que des spectres en de nombreux points à travers cette galaxie afin de résoudre ses mouvements internes.

Les chercheurs ont étudié chacune des galaxies cibles et ont mesuré leur spin. Ils ont constaté que les plus petites galaxies avaient tendance à tourner en s'alignant directement sur le filament le plus proche, tandis que les plus grandes tournaient à angle droit. L'alignement change d'orientation lorsque les galaxies entraînées par la gravité d'un filament entrent en collision et fusionnent, gagnant ainsi en masse. La transition se produit pour des masses comprises entre 10^10.4 et 10^10.9 M.

Selon Welker, "[Le] retournement de la galaxie peut être soudain. La fusion avec une autre galaxie peut suffire. Imaginez que vous patinez derrière une amie et que vous rattrapiez votre retard. Si vous attrapez la main de votre amie alors que vous vous déplacez plus vite qu'elle, vous commencerez à tourner sur un axe vertical - une rotation perpendiculaire à votre trajectoire horizontale. Toutefois, si un petit chat - beaucoup plus léger saute sur vous, vous n'allez probablement pas vous mettre à tourner. Il faudrait que beaucoup de chats sautent sur vous en même temps pour changer votre spin ou rotation."

Selon Scott Croom de l'Université de Sydney et coauteur de cet article, "Pratiquement toutes les galaxies sont en rotation et cette rotation est fondamentale pour la formation des galaxies. Par exemple, la plupart des galaxies sont dans des disques rotatifs plats, comme la Voie Lactée. Notre résultat nous aide à comprendre comment cette rotation galactique se construit à travers les temps cosmiques."

A terme, les astronomes pourront réaliser des sondages cinq fois plus vastes que SAMI. Selon Croom, "Nous pourrons ainsi approfondir les détails de cet alignement des spins pour mieux comprendre la physique qui le sous-tend."

L'inversion du spin des galaxies

Complémentaire de l'étude précitée, dans un article publié dans les "MNRAS" en 2022 (en PDF sur arXiv), l'équipe de l'astrophysicienne Stefania Barsanti de l'Université Nationale Australienne et membre du Centre d'Excellence ASTRO 3D montra que les galaxies ayant des renflements ou bulbes centraux plus gros ont tendance à tourner perpendiculairement aux filaments dans lesquels elles sont plongées, tandis que les galaxies ayant des bulbes plus petits ont tendance à tourner parallèlement à ces filaments.

L'étude montre aussi que plus les galaxies sont dominées par le bulbe, plus elles sont proches de la "colonne vertébrale" de la structure filamentaire et des nœuds des filaments. Cette étude confirme également les conclusions de l'étude antérieure décrite ci-dessus.

Selon Barsanti, "Tout est lié à la masse du renflement. Les galaxies qui sont principalement des disques, avec un renflement de faible masse, ont tendance à avoir un axe de rotation parallèle au filament le plus proche. C'est parce qu'elles se forment principalement à partir de gaz tombant sur le filament et "l'enroulant". Les renflements galactiques se développent lorsque les galaxies fusionnent, généralement lorsqu'elles se déplacent le long du filament. Ainsi, les fusions ont également tendance à "inverser" l'alignement entre le spin de la galaxie et le filament de parallèle à perpendiculaire."

Selon Scott Croom précité et coauteur de cet article, "Nous pensons que les fusions doivent être plus probables à mesure que les galaxies se déplacent les unes vers les autres le long des filaments. La direction de ces fusions entraîne le "spin flip"."

A voir : Simulation de l'accrétion des galaxies le long d'un filament

Bien que cette évolution ait été suggérée par des simulations informatiques, c'est la première fois que des scientifiques utilisent des données observationnelles pour confirmer que la croissance du bulbe central d'une galaxie peut l'amener à inverser les alignements. Selon Barsanti, "C'est un signal subtil qui est vraiment difficile à détecter dans les observations."

Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont utilisé le spectrographe SAMI précité pour étudier 3068 galaxies entre 2013 et 2020. La spectroscopie a permis de mesurer les mouvements internes des étoiles et du gaz dans la galaxie afin de mesurer son spin global

L'étude a également permis de retracer la distribution de la matière depuis les temps les plus reculés de l'univers jusqu'à nos jours, et de construire une image 3D de la formation et l'évolution de l'univers que nous voyons aujourd'hui. Cette étude montre comment les mouvements de masse dans les galaxies et les positions des galaxies sont connectés, ce qui est un élément essentiel pour comprendre comment les galaxies se sont assemblées.

Ces découvertes mettent en lumière la formation de deux composants principaux des galaxies et leur relation avec les structures et les mouvements à grande échelle de la matière dans la toile cosmique. On comprend mieux comment les fusions galactiques jouent un rôle important dans la formation des galaxies, à la fois sur la composante du bulbe central et sur l'inversion du spin. Selon Barsanti, "Cela indique qu'il existe des canaux de formation particuliers pour déclencher la rotation des galaxies et comment la rotation change à mesure que la galaxie évolue."

Le prochain objectif des chercheurs est d'utiliser le sondage galactique Hector basé sur le spectrographe Hector qui remplace SAMI depuis 2022 afin d'étudier environ 30000 galaxies.

Des ponts de matière relient les amas

En 2012, une équipe d'astronomes dirigée par Kristen Coppin, astrophysicien à l'Université McGill au Canada, découvrit grâce au télescope spatial Herschel de l'ESA un immense pont de matière reliant deux des trois amas de galaxies au sein du superamas RCS 2319+00 découvert en 2008 et situé à 7 milliards d'années-lumière.

Selon les résultats de leur étude, ce filament intergalactique présenté à droite contient des centaines de galaxies et s'étend sur 8 millions d'années-lumière. Selon Kristen Coppin, la découverte d'un superamas émergeant est exceptionnellement rare étant donné la distance à laquelle il se trouve. Sa masse est estimée à environ 6x10¹⁴ M.

Le coeur de ces amas a déjà été méticuleusement étudié en lumière blanche et en rayonnement X mais c'est grâce aux analyses infrarouges et submillimétriques (55-672 microns) du télescope spatial Herschel que l'intense activité des étoiles en formation cachées dans les nuages obscurs des filaments a pu être détectée grâce à la chaleur libérée par les étoiles.

L'émission infrarouge suggère que les galaxies présentes dans le pont de matière produisent une masse équivalente à environ 1000 M de nouvelles étoiles chaque année. Par comparaison, la Voie Lactée produit environ 1 M de nouvelles étoiles chaque année.

Cette activité est vraisemblablement entretenue par les effets de la gravitation qui forcent les galaxies à entrer en collisions mutuelles, perturbant les nappes de gaz, ce qui déclenche à petite échelle des bouffées de formations de nouvelles étoiles.

L'étude de ces filaments est très intéressante car ces ponts lumineux de matière nous offre un instantané de la manière dont évoluent les stuctures cosmiques sur de très grandes échelles et la manière dont elles influencent l'évolution des galaxies individuelles piégées en leur sein. En effet, dans ce cas-ci, les astrophysiciens peuvent explorer la question fondamentale de savoir si c'est la nature ou la "nourriture" de la galaxie qui détermine son évolution. Dans l'esprit d'un astrophysicien, le rôle de l'environnement est l'une des facteurs clés pour expliquer l'évolution galactique.

Les simulations indiquent que les galaxies formant le pont de matière de RCS2319 finiront pas migrer vers le centre du superamas émergeant. Au cours des 6 à 8 prochains milliards d'années, les astronomes estiment que cette région ressemblera à un gigantesque amas de galaxies, similaire à celui de l'amas de Coma. Cet ama contiendra des galaxies elliptiques rouges et pratiquement mortes contenant des étoiles âgées rougeâtres à la place des jeunes étoiles bleutées.

Les galaxies que l'on voient actuellement comme des éruptions stellaires dans le superamas RCS2319 finiront par mourir en créant l'une des structures les plus massives de l'Univers. C'est donc un évènement exceptionnel qu'on peut observer aujourd'hui.

Le Courant Géant de Coma

L'étude des flux stellaires dynamiquement froids révèle des informations sur le potentiel gravitationnel là où ils résident et fournit des contraintes importantes sur les propriétés de la matière sombre dans le cadre du modèle cosmologique standard ΛCDM. Cependant, la faible brillance intrinsèque de ces flux rend leur détection au-delà de l'environnement local très difficile.

Javier Román de l'Université de Groningen aux Pays-Bas et ses collègues ont annoncé dans la revue "Astronomy & Astrophysics" en 2023 (en PDF sur arXiv), la découverte d'un flux stellaire extrêmement faible (29.5 mag/sec.d'arc²) et très mince dans l'amas de galaxies de Coma situé à ~323 millions d'années-lumière et regroupant des milliers de galaxies.

Ce flux appelé le Courant Géant de Coma (Giant Coma Stream) fut découvert par hasard grâce au Télescope William Herschel (WHT) de 4.2 m de l'Observatoire Roque de los Muchachos (ORM) installé à La Palma (à ne pas confondre avec le télescope spatial Herschel de l'ESA). Comme illustré ci-dessous, ce courant s'étend sur ~510 kpc ou 1.66 million d'années-lumière de longueur soit sur dix fois le diamètre de la Voie Lactée à une distance projetée de 0.8 Mpc ou 2.6 millions d'années-lumière du centre de l'amas. Il s’agit du plus grand courant stellaire détecté à ce jour et le premier découvert dans un amas de galaxies.

A gauche, compositage couleur extrait du projet HERON Coma Cluster dans les bandes G et R révélant le Courant Géant de Coma (Coma Giant Stream). L'image WHT fut prise avec le Télescope William Herschel de 4.2 m. A droite, représentation graphique des associations galactiques dans la ligne de visée du Courant Géant de Coma. Les groupes et amas de galaxies locaux (Vrad < 3500 km/s) et leurs rayons viriaux apparents sont représentés par des cercles gris. Les galaxies avec un redshift compris entre 3500 km/s < Vrad < 10000 km/s sont représentées par des points noirs. Le rayon viriel apparent du Coma est représenté par le cercle rouge. La position du Courant Géant de Coma est indiquée par le segment rouge. Documents J.Román et al. (2023).

Les chercheurs n'ont détecté aucun reste ou noyau potentiel de galaxie et la structure du flux semble sans particularité dans les données. Ce courant serait une structure galactique naine passive récemment accrété et probalement une queue mariéale.

Grâce à la simulation Illustris-TNG50, les chercheurs ont identifié un cas suggérant que ces types de flux existeraient dans le modèle ΛCDM. Ils pourraient donc apporter des renseignements sur les propriétés de la matière sombre.

Selon Javier Román, "Au départ, notre objectif était d'étudier les halos d'étoiles autour des galaxies de Coma. À notre grande surprise, les données ont révélé un étonnant flux géant d’étoiles, jusqu’alors inconnu. [...] Ce type de flux stellaire extrêmement faible avec une morphologie aussi mince n'a été détecté auparavant que dans le Groupe Local et dans les galaxies proches, mais c'est la première fois que quelque chose de similaire est détecté dans un amas de galaxies, et c’est la plus grande détectée jusqu’à présent. Notre étude suggère également, après avoir analysé les simulations cosmologiques, que ce type de structures pourrait être assez fréquent dans les amas de galaxies."

Le prochain objectif des chercheurs est de découvrir de nouveaux courants géants grâce à la nouvelle génération de télescopes. Selon l'astrophysicien Reynier Peletier de l'Université de Groningue et coauteur de cet article, "Nous espérons trouver davantage d'objets de ce type grâce au télescope ELT de 39 mètres ou lorsque la mission spatiale EUCLID commencera à fournir des données."

Pour les auteurs, il est également fondamental de poursuivre l'étude de ce flux géant qui est l'un des premiers dans lequel les anomalies gravitationnelles observées ont indiqué la présence de matière sombre. Avec ces grands télescopes, les chercheurs espèrent non seulement découvrir de nouveaux flux géants mais souhaitent également zoomer sur le Courant Géant de Coma. Selon Peletier, "Nous aimerions observer des étoiles individuelles dans et à proximité du flux et en apprendre davantage sur la matière sombre."

Ignacio Trujillo de l'IAC et coauteur de cet article résumé le sentiment de ses collègues : "Il est difficile de ne pas être impressionné par cette nouvelle structure. Ce courant stellaire est tellement énorme que si nous pouvions le placer entre notre Galaxie et la galaxie d'Andromède, il relierait les deux avec un pont d'étoiles. Une structure de ce type donne une opportunité unique d'évaluer si la matière sombre est organisée en halos, ce qui est prédit par la théorie de la matière sombre et froide, car ces halos, s’ils existaient, provoqueraient des trous lorsqu’ils intercepteraient le flux d'étoiles. Jusqu'à présent, nous ne les avons pas vus, mais c'est le prochain objectif de nos recherches."

Au plus profond de l'espace

Si on braque le Télescope Spatial Hubble dans un champ de quelques minutes d'arc de l'univers ultra profond (UDF), dans la Grande Ourse ou le Fourneau comme ci-dessous, des photographies exposées plusieurs centaines d'heures révèlent des milliers de galaxies dont une centaine situées à plus de 13 milliards d'années-lumière !

A voir : Across the Universe: Hubble Ultra Deep Field, HST

Zoom into the Hubble Ultra Deep Field, HST

A gauche, gros-plan sur un amas de galaxies situé dans la Grande Ourse. L'image de gauche a été prise par Akira Fujii, les deux autres au moyen du Télescope Spatial Hubble. L'étroite bande centrale est la combinaison de 21x3 photographies prises sur une période d'un an. L'image comprend plus de 6000 galaxies distribuées dans une zone de 1°. L'image de droite est un agrandissement d'une région d'environ 5 minutes d'arc. Au centre et à droite, deux images du champ ultra profond (UDF) photographié par le Télescope Spatial Hubble. Il s'agit du compositage d'environ 2000 photographies. Dans les deux cas, il s'agit de la même région du Fourneau, l'image de droite étant légèrement agrandie et montrant des galaxies encore un peu plus pâles et plus éloignées. On touche ici aux limites des capacités d'Hubble. L'image centrale comprend près de 10000 galaxies et nécessita un temps d'intégration total équivalent à plus de 11 jours d'exposition. Une centaine de galaxies sont situées à plus de 13 milliards d'années-lumière. Dans l'image de droite les astronomes ont dénombré plus de 5500 galaxies de 30e magnitude dont plusieurs présentent un décalage Doppler z entre 8.9 et 11.9; certaines sont situées à plus de 13.4 milliards d'années-lumière ! Cette image qui combine des photographies enregistrées en 2003 et 2004 en lumière blanche et proche IR représente un temps d'intégration total de plus de 23 jours d'exposition (555 heures) ! Les taches rouges sont des galaxies en collision. Les deux vidéos ci-dessus présentent un zoom sur cette région du ciel, la première avec une modélisation en 3D basée sur les distances calculées à partir du spectre de chaque objet. Documents A.Fujii/STScI, NASA/ESA/STScI et UCOLick.

Un autre exemple est l'amas MS1054-03 présenté ci-dessous et découvert par Pieter van Dokkum et Marijn Franx de l'Université de Groningen/Leiden aux Pays-Bas grâce au Télescope Spatial Hubble en 1999. Situé à 8 milliards d'années-lumière, cet amas contient 81 galaxies dont 13 résultent de collisions ou de paires de galaxies en interactions.

Bref, où que l'on pointe les télescopes et aussi puissant que soit le grossissement ou aussi long que soit le temps d'intégration (la durée d'exposition), on découvre des centaines voire des milliers de galaxies.

Si on joue sur les mots, l'Univers n'est donc plus constellé d'étoiles... mais de galaxies d'étoiles et même d'amas de galaxies et ce à toutes les distances ! Toutes ? En effet, la question est pertinente : quand les premiers amas de galaxies se sont-ils formés ?

Pour y répondre, il ne suffit pas de photographier le ciel car les télescopes optiques montrent vite leurs limites. Il faut demander le soutien des réseaux de radiotélescopes les plus puissants, c'est-à-dire les plus vastes pour offrir la plus grande résolution et explorer l'Univers ultra profond aussi loin que possible pour tenter d'y dénicher les amas de galaxies les plus lointains.

Ci-dessus, au confins de l'univers visible 300 galaxies pâles se présentent à nous grâce au Télescope Spatial Hubble. Les candidats les plus rouges sont peut-être situés à plus de 12 milliards d'années-lumière, tellement distants et rapides que leur lumière accuse un redshift prononcé. Cette image couvre un champ de 18' de la Grande Ourse et s'étend sur 2 millions d'années-lumière. L'image consiste en un compositage RGB de 36 heures de temps d'intégration en lumière bleue et proche infrarouge (B=450 nm, G=1100 nm, R=1600 nm) et atteint la 30e magnitude. Document NASA/ESA/STScI/NICMOS. Ci-dessous, l'étonnant amas de galaxies MS1054-03 situé à 8 milliards d'années-lumière, l'un des amas les plus éloignés que l'on connaisse. Chaque petite ellipse jaune ou bleue est pratiquement une galaxie. On en a dénombré 81 dont 13 résultent de collisions ou de paires de galaxies en interactions. Dans l'encadré de droite sont représentées quelques-unes de ces galaxies en interactions. Document NASA/ESA/STScI.

Formation des premiers amas de galaxies : mégamergeurs et proto-amas de galaxies

Jusqu'à présent, étant donné le temps qu'il faut a priori pour former des étoiles et agencer les nuages de gaz et de poussières en galaxies et que ces dernières se rassemblent en groupes pour former des amas, les astronomes estimaient que les premiers amas de galaxies s'étaient formés environ 3 milliards d'années après le Big Bang^[2]. De plus, apparemment, on n'en observait pratiquement pas au-delà de z ~ 4 ou ~12 milliards d'années-lumière. Bien sûr, nos moyens sont relativement limités à d'aussi grandes distances.

Le proto-amas SPT2349-56

En 2018, deux équipes d'astronomes travaillant indépendamment, la première dirigée par Iván Oteo de l'Université d'Edimbourg, la seconde par Tim B. Miller de l'Université de Yale ont chacune annoncé avoir découvert grâce à ALMA (un réseau de 66 paraboles submillimétriques entre 12 et 7 m de diamètre) et l'expérience APEX (une parabole submillimétrique de 12.5 m de diamètre) de l'ESO des concentrations denses de galaxies, en fait des proto-amas de galaxies sur le point de fusionner, ce qu'on appelle des mégamergeurs ou des progéniteurs d'amas, formant les noyaux probables de futurs amas de galaxies très massifs.

Ce proto-amas de galaxies qui s'est formé alors que l'Univers n'avait qu'un dizième de son âge actuel. Son nom : SPT2349-56. Il est situé à z=4.3. Il fut débusqué grâce au télescope SPT (South Pole Telescope) de 10 m de diamètre installé au pôle Sud qui avait déjà photographié l'objet mais sans pouvoir y déceler de détails comme on le voit sur l'image présentée ci-dessous à gauche.

Images du proto-amas de galaxies SPT2349-56 observé respectivement par le SPT, l'APEX et ALMA. Document Tim B. Miller e al. (2018).

Comme l'expliqua l'ESO, grâce à ALMA et ATCA, l'équipe d'Iván Oteo découvrit un proto-amas à z=4.0 ou ~12.16 milliards d'années-lumière (cf. cette calculatrice ou celle-ci) grâce à l'émissions de carbone (CI), du monoxyde de carbone (CO) et de la molécule d'eau (H₂O). Ce proto-amas fut surnommé "Distant Red Core" (DRC) en raison de sa couleur rouge prononcée dans les bandes SPIRE (entre 250 et 500 microns) du télescope spatial Herschel. Il contient au moins 10 galaxies riches en poussières (DSFG ou Dust-Star-Forming Galaxies) qui présentent un taux de formation stellaire exceptionnel variant entre 6500 et 14400 M par an (contre 3 M par an pour la Voie Lactée de nos jours, cf. K.Torii et al., 2019), un taux très supérieur à celui d'autres proto-amas de galaxies situés au-delà de z=4. Ce proto-amas est un nuage compact de gaz moléculaire obscurcit par des poussières (une sorte de DOG) représentant avec son halo une masse d'hydrogène moléculaire d'environ 10¹³ M, c'est-à-dire qu'il pourrait être le progéniteur d'un amas de galaxies presque aussi massif que celui de Coma situé z~0 (~10¹⁵ M qui comprendrait ~2000 galaxies).

La seconde observation fut réalisée par l'équipe de Tim Miller. Comme on le voit ci-dessus à droite, grâce à ALMA les chercheurs ont découvert que cet objet un peu flou en imagerie classique est un groupe compact comprenant 14 galaxies rassemblées dans une région d'environ 130 kpc ou 424000 années-lumière de diamètre. Ces proto-galaxies présentent un taux très élevé de formation stellaire variant entre 50 et 1000 étoiles par an et contiennent de grandes quantités de gaz et des nurseries stellaires suggérant que ce système était déjà à un âge avancé 1.4 milliard d'années après le Big Bang. En le comparant avec d'autres proto-amas très distants, SPT2349-56 pourrait compter parmi les structures les plus massives de l'Univers.

Selon Miller, actuellement on ignore par quel mécanisme un proto-amas de galaxies aussi vaste s'est formé aussi rapidement (ou si tôt). Cette découverte représente une excellente opportunité d'étudier comment les galaxies massives se sont rassemblées en amas de galaxies. Mais de toute évidence, les astronomes n'ont pas encore identifié tous les paramètres de cette dynamique dont quelques données pourraient bien être cachées (on pense à la matière et l'énergie sombres). On y reviendra.

Le proto-superamas Hypérion

Ensuite, une équipe d'astonomes de l'ESO dirigée par Olga Cucciati de l'INAF de Bologne découvrit grâce au VLT plusieurs surdensités de matière entre 2.422 < z < 2.476 soit 11 milliards d'années-lumière s'étendant chacune sur environ 1 degré carré, ce qui représente une espace total d'environ 120 x 130 Mpc. Cette mégastructure comprend sept amas de proto-galaxies. Il s'agit d'un proto-superamas de galaxies. Il a été catalogué PSC J1001+0218 et surnommé "Hypérion" en raison de son étendue. Ce proto-superamas occupe un volume d'environ 60x60x150 Mpc soit 540000 Mpc³ (1.76 milliard d'a.l.³) et représente une masse globale d'environ 4.8 x 10¹⁵ M soit de l'ordre des superamas les plus massifs connus. Les résultats de leur étude furent publiés dans la revue "Astronomy & Astrophysics" en 2018 (en PDF sur arXiv).

A gauche, cartographie 3D de la surdensité du proto-superamas Hypérion (PSC J1001+0218) situé à 11 milliards d'années-lumière. A droite, représentation schématique de la région SXDS_gPC située à ~12.7 milliards d'années-lumière. Document O.Cucciati et al. (2018) et L.Jiang et al. (2018).

Le proto-amas SXDS_gPC

Enfin, dans un article publié dans la revue "Nature" en 2018 (en PDF sur arXiv), Linha Jiang de l'Université de Péking à Beijing et ses collègues ont annoncé la découverte à z ≈ 5.7 soit ~12.71 milliards d'années-lumière d'un nouveau proto-amas de galaxies géant provisoirement dénommé SXDS_gPC par référence au sondage du ciel profond XMM-Newton SXDS; ce proto-amas de galaxies dont un schéma est présenté ci-dessus à droite s'est formé environ 1 milliard d'années seulement après le Big Bang.

Ce proto-amas comprend 46 sources spectroscopiquement identifiées dont au moins 41 sources LAE (Lyman-Alpha Emitters) plus brillantes que la magnitude 25.5 à 816 nm (proche IR). Les points bleus et rouges correspondent respectivement aux sources LAE situées à z ≈ 5.68 et z ≈ 5.75. Le carré cyan représente le proto-amas géant SXDS_gPC enfoui dans la région surdense et comprenant 23 LAE. Il couvre un champ de 15.5'x14.5' d'arc. Ce proto-amas occupe un volume d'environ 35 Mpc³ (~114x114x114 millions d'années-lumière) et sa densité est 6.6 fois supérieure à la moyenne à cette distance. C'est le seul objet de ce type découvert dans un champ de 2°x2°.

Selon les auteurs, une telle structure est toute aussi rare dans les simulations cosmologiques. A terme, ce proto-amas devrait s'effondrer et former un amas de galaxies de ~3.6 x 10¹⁵ M (3.6 quadrillions de masses solaires), comparable aux amas les plus massifs connus à ce jour. Sa découverte est une preuve directe supplémentaire de l'existence de la formation d'amas à aux redshifts telle que l'exige la théorie de la réionisation, un fait qui renforce le modèle cosmologique du Big Bang.

Dernier chapitre

Température au coeur des amas de galaxies