31 Mars 2015

Planck et Herschel sur la piste des proto-amas

Dans l’Univers contemporain, nous observons que les galaxies comme la nôtre ne sont généralement pas disséminées de manière aléatoire, mais au contraire regroupées par centaines voire par milliers au sein d’amas.

Des études menées à partir des données des satellites Planck et Herschel viennent de lever un coin de voile sur la manière dont ces énormes structures bien différenciées ont pu émerger à  partir d’un Univers très homogène dans sa prime jeunesse.

Selon les modèles actuels, les petites fluctuations de densité présentes peu de temps après le Big Bang, notamment dans la répartition de matière noire, se sont rapidement accentuées, conduisant à des halos de matière noire concentrant les jeunes galaxies en formation. Cette théorie prédit donc qu’à cette époque reculée - l’Univers avait alors 2 à 3 milliards d’années seulement - (il en a 13,8 aujourd’hui) les jeunes galaxies devaient commencer à s’assembler en amas, d’où le terme « proto-amas ».

Elle prévoit en outre que beaucoup de ces galaxies, jeunes concentrations de gaz et de poussières, devaient alors être dans une phase très active de fabrication d’étoiles – des centaines de fois plus active que la Voie Lactée aujourd’hui. Elles produisaient un intense rayonnement visible et ultra-violet, chauffant leurs poussières interstellaires, celles-ci ré-émettant alors un intense rayonnement infrarouge.

Ce rayonnement infrarouge, étiré vers des longueurs d’onde millimétriques pendant son voyage à travers l’univers en expansion, nous parvient dans des fréquences de l’ordre de plusieurs centaines de GHz. Exactement la gamme de fonctionnement de l’instrument HFI du satellite Planck de l’ESA.

234 sources particulièrement brillantes

Dans les données de Planck, les chercheurs ont identifié 234 sources particulièrement brillantes, susceptibles d’être de tels proto-amas anciens. Mais ni la couverture spectrale ni la précision des images de Planck ne permettaient de conclure. En effet, une telle source peut avoir une autre origine, telle qu’une seule de ces galaxies lointaines à flambée d’étoiles, amplifiée par la présence d’un objet massif plus proche (une autre galaxie, ou un amas) par effet de lentille gravitationnelle.

Avant la fin de sa mission en 2013, le satellite Herschel de l’ESA, non conçu pour scanner tout le ciel comme son cousin Planck mais beaucoup plus précis en termes d’image, a été successivement pointé sur chacune de ces sources. L’instrument SPIRE a alors révélé dans la plupart des cas un nombre important de galaxies à forte émission infrarouge, très regroupées spatialement.

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Au milieu en bas : la totalité du ciel observé par Planck à 545 GHz, avec en points noirs les candidats observés par Herschel. Autour: quelques images de Herschel, avec les contours de densité de galaxies; Crédits : Dole, Guéry, Hurier, ESA, Planck Collab., HFI consortium, IAS, CNES, Univ. Paris-Sud, CNRS

[no-lexicon]L’un des candidats proto-amas. Le contour blanc indique la zone d’émission détectée par Planck. L’image prise par Herschel sur cette région est montrée en arrière-plan, en fausses couleurs. On distingue à l’œil la concentration de galaxies dans la zone révélée par Planck. La densité de galaxies, indiquée par les isocontours en jaune, confirme cette observation. Crédits : Dole, Guéry, Planck Collab., IAS, CNES, univ. Paris-Sud, CNRS.[/no-lexicon]

« Nous avons immédiatement été surpris par le flux élevé de certaines galaxies ou la forte concentration angulaire d’autres galaxies. La découverte de tant de galaxies à flambée de formation stellaire si concentrées dans de petites régions du ciel était frappante. Nous pourrions être témoins d'un épisode mystérieux et manquant dans notre compréhension de la formation des grandes structures cosmologiques : la phase où des groupes de galaxies forment intensément des étoiles à grand redshift, peut-être des proto-amas, précurseurs des grands amas de galaxies d'aujourd'hui », explique le Pr. Hervé Dole (IAS, Orsay) qui dirige l'analyse effectuée dans le cadre de la collaboration Planck impliquant plusieurs laboratoires en France, en Europe et aux Etats-Unis, et soutenue par le CNES.

Ludovic Montier, responsable du catalogue des sources à grand décalage spectral (redshift) – donc lointaines – de Planck, précise : « nous préparons actuellement un catalogue complet de candidats proto-amas, pour lequel nous allons peut-être identifier encore davantage de ces objets ».

Si d’autres données d’Herschel ou d’autres observatoires avaient déjà laissé soupçonner l’existence de quelques candidats de ce type, leur petit nombre et la difficulté d’étudier des objets aussi lointains limitaient leur étude. Le grand nombre de ces nouvelles sources Planck est à cet égard une mine d’or. Les astrophysiciens vont confronter leurs modèles de formation et d’évolution des galaxies et des amas à ce catalogue. Quant aux cosmologistes, ils attendaient depuis longtemps ce type de données pour tester leurs hypothèses sur la répartition de matière noire dans l’univers, et son évolution depuis ces temps reculés jusqu’à aujourd’hui dans un espace en expansion. En attendant Euclid, la future mission de l’ESA dédiée à l’étude de l’énergie noire, et dans laquelle les scientifiques français et le CNES jouent encore un rôle essentiel !

Références de l'article

Planck intermediate results. XXVII. High-redshift infrared galaxy overdensity candidates and lensed sources discovered by Planck and confirmed by Herschel-SPIRE, Collaboration Planck, Astronomy and Astrophysics, 2015.

 

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