Crédit d'image: ESO
Une équipe d'astronomes européens et chiliens a découvert plusieurs grands amas de galaxies à une distance de 8 milliards d'années-lumière qui devraient fournir des informations sur la structure et l'évolution de l'Univers. Les amas de galaxies ont été découverts en combinant des images du télescope spatial XMM-Newton de l'ESA et du très grand télescope de l'ESO. Les amas de galaxies ne sont pas répartis uniformément, mais apparaissent comme un réseau à travers l'Univers, et jusqu'à présent, il semble que la forme de ces amas n'a pas changé depuis que l'Univers était très jeune.
À l'aide du satellite ESA XMM-Newton, une équipe d'astronomes européens et chiliens [2] a obtenu à ce jour l'image radiographique «à champ large» la plus profonde du monde. Cette vue pénétrante, lorsqu'elle est complétée par des observations de certains des télescopes optiques au sol les plus grands et les plus efficaces, y compris le très grand télescope ESO (VLT), a abouti à la découverte de plusieurs grands amas de galaxies.
Ces premiers résultats d'un ambitieux programme de recherche sont extrêmement prometteurs et ouvrent la voie à un recensement très complet et approfondi des amas de galaxies à différentes époques. S'appuyant sur la technologie astronomique la plus avancée et avec une efficacité d'observation inégalée, ce projet devrait fournir de nouvelles perspectives sur la structure et l'évolution de l'Univers lointain.
Le web universel
Contrairement aux grains de sable sur une plage, la matière n'est pas uniformément répartie dans tout l'Univers. Au lieu de cela, il est concentré dans des galaxies qui elles-mêmes se rassemblent en amas (et même en amas d'amas). Ces grappes sont «enfilées» à travers l'Univers dans une structure de type web, cf. ESO PR 11/01.
Notre galaxie, la voie lactée, par exemple, appartient au soi-disant groupe local qui comprend également «Messier 31», la galaxie d'Andromède. Le groupe local contient environ 30 galaxies et mesure quelques millions d'années-lumière. D'autres grappes sont beaucoup plus importantes. L'amas de Coma contient des milliers de galaxies et mesure plus de 20 millions d'années-lumière. Un autre exemple bien connu est l'amas de la Vierge, couvrant pas moins de 10 degrés sur le ciel!
Les amas de galaxies sont les structures liées les plus massives de l'Univers. Ils ont des masses de l'ordre de mille millions de millions de fois la masse de notre Soleil. Leur distribution spatiale tridimensionnelle et leur densité numérique changent avec le temps cosmique et fournissent des informations sur les principaux paramètres cosmologiques d'une manière unique.
Environ un cinquième de la masse optiquement invisible d'un amas se présente sous la forme d'un gaz chaud diffus entre les galaxies. Ce gaz a une température de l'ordre de plusieurs dizaines de millions de degrés et une densité de l'ordre d'un atome par litre. À des températures aussi élevées, il produit une puissante émission de rayons X.
Observer ce gaz intergalactique et pas seulement les galaxies individuelles, c'est comme voir les bâtiments d'une ville pendant la journée, pas seulement les fenêtres éclairées la nuit. C'est pourquoi les amas de galaxies sont mieux découverts à l'aide de satellites à rayons X.
En utilisant les précédents satellites à rayons X, les astronomes ont effectué des études limitées de la structure à grande échelle de l'Univers proche. Cependant, jusqu'à présent, ils n'avaient pas les instruments pour étendre la recherche à de grands volumes de l'Univers lointain.
Les observations à large champ XMM-Newton
Marguerite Pierre (CEA Saclay, France), avec une équipe d'astronomes européens / chiliens connue sous le nom de consortium XMM-LSS [2], a utilisé le grand champ de vision et la haute sensibilité de l'observatoire à rayons X de l'ESA XMM-Newton pour rechercher des amas éloignés de galaxies et cartographier leur distribution dans l'espace. Ils pouvaient remonter environ 7 000 millions d'années à une ère cosmologique où l'Univers était environ la moitié de sa taille et de son âge actuels, lorsque les amas de galaxies étaient plus serrés.
La recherche des grappes est un processus minutieux en plusieurs étapes, nécessitant à la fois des télescopes spatiaux et terrestres. En effet, à partir d'images radiographiques avec XMM, il a été possible de sélectionner plusieurs dizaines d'objets candidats en grappe, identifiés comme zones de rayonnement X renforcé (cf. PR Photo 19b / 03).
Mais avoir des candidats ne suffit pas! Ils doivent être confirmés et approfondis avec des télescopes au sol. En tandem avec XMM-Newton, Pierre utilise l'imageur à très large champ fixé au télescope Canada-France-Hawaï de 4 m, sur Mauna Kea, Hawaï, pour prendre un instantané optique de la même région de l'espace. Un programme informatique sur mesure analyse ensuite les données XMM-Newton à la recherche de concentrations de rayons X suggérant de grandes structures étendues. Ce sont les clusters et ne représentent qu'environ 10% des sources de rayons X détectées. Les autres sont pour la plupart des galaxies actives éloignées.
Retour au sol
Lorsque le programme trouve un cluster, il effectue un zoom avant sur cette région et convertit les données XMM-Newton en une carte de contour d'intensité de rayons X, qui est ensuite superposée à l'image optique CFHT (PR Photo 19c / 03). Les astronomes l'utilisent pour vérifier si quelque chose est visible dans la zone d'émission de rayons X étendue.
Si quelque chose est vu, le travail passe ensuite à l'un des meilleurs télescopes optiques / infrarouges du monde, le Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral à Paranal (Chili). Au moyen des instruments multimodes FORS, les astronomes zooment sur les galaxies individuelles sur le terrain, prenant des mesures spectrales qui révèlent leurs caractéristiques globales, en particulier leur décalage vers le rouge et donc la distance.
Les galaxies d'amas ont des distances similaires et ces mesures fournissent finalement, en faisant la moyenne, la distance de l'amas ainsi que la dispersion de vitesse dans l'amas. Les instruments FORS sont parmi les plus efficaces et les plus polyvalents pour ce type de travail, prenant le spectre moyen de 30 galaxies à la fois.
Les premières observations spectroscopiques dédiées à l'identification et à la mesure du décalage vers le rouge des amas de galaxies XMM-LSS ont eu lieu pendant trois nuits à l'automne 2002.
En mars 2003, il n'y avait que 5 grappes connues dans la littérature à un tel décalage vers le rouge avec suffisamment de décalages vers le rouge mesurés par spectroscopie pour permettre une estimation de la dispersion de la vitesse. Mais le VLT a permis d'obtenir la dispersion dans un cluster distant en 2 heures seulement, ce qui suscitait de grandes attentes pour les travaux futurs.
700 spectres…
Marguerite Pierre est extrêmement contente: les conditions météorologiques et de travail au VLT étaient optimales. En trois nuits seulement, 12 champs d'amas ont été observés, produisant pas moins de 700 spectres de galaxies. La stratégie globale s'est avérée très réussie. La grande efficacité d'observation du VLT et du FORS soutient notre plan pour effectuer des études de suivi d'un grand nombre de grappes distantes avec relativement peu de temps d'observation. Cela représente une augmentation de l'efficacité la plus substantielle par rapport aux recherches précédentes.
Le présent programme de recherche a bien commencé, démontrant clairement la faisabilité de cette nouvelle approche multi-télescope et sa très haute efficacité. Et Marguerite Pierre et ses collègues voient déjà les premiers résultats alléchants: cela semble confirmer que le nombre de clusters il y a 7 000 millions d'années est peu différent de celui d'aujourd'hui. Ce comportement particulier est prédit par des modèles de l'Univers qui se développent pour toujours, entraînant les amas de galaxies de plus en plus éloignés.
Tout aussi importante, cette approche multi-longueurs d'onde et multi-télescopes développée par le consortium XMM-LSS pour localiser des amas de galaxies constitue également une prochaine étape décisive dans la synergie fertile entre les observatoires spatiaux et terrestres et constitue donc un élément de base du à venir Observatoire virtuel.
Plus d'information
Ce travail est basé sur deux articles qui seront publiés dans la revue professionnelle d'astronomie, Astronomy and Astrophysics (The XMM-LSS survey: I.Motivations scientifiques, conception et premiers résultats par Marguerite Pierre et al., Astro-ph / 0305191 et The XMM -LSS survey: II. Premiers amas de galaxies à grand décalage vers le rouge: systèmes relaxés et s'effondrant par Ivan Valtchanov et al., Astro-ph / 0305192).
Le Dr M. Pierre donnera une conférence sur ce sujet au Symposium 216 de l'AIU - Cartes du cosmos - ce jeudi 17 juillet 2003 lors de l'Assemblée générale 2003 de l'AIU à Sydney, en Australie.
Remarques
[1]: Il s'agit d'une version coordonnée ESO / ESA.
[2]: Le consortium XMM-LSS est dirigé par le Service d’Astrophysique du CEA (France) et se compose d’instituts du Royaume-Uni, d’Irlande, du Danemark, des Pays-Bas, de Belgique, de France, d’Italie, d’Allemagne, d’Espagne et du Chili. La page d'accueil du projet XMM-LSS est disponible à l'adresse http://vela.astro.ulg.ac.be/themes/spatial/xmm/LSS/index_e.html
[3]: En astronomie, le «redshift» désigne la fraction par laquelle les raies dans le spectre d'un objet sont déplacées vers des longueurs d'onde plus longues. Puisque le décalage vers le rouge d'un objet cosmologique augmente avec la distance, le décalage vers le rouge observé d'une galaxie éloignée fournit également une estimation de sa distance.
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
