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Des filaments de matière noire étudiés pour la première fois en 3D

Grâce au télescope spatial Hubble, des astronomes ont réalisé la première étude en trois dimensions d’un filament cosmique de matière noire. Inclus dans la « toile cosmique », ce filament nourrit l’un des amas de galaxies les plus massifs de l’univers et s’étend sur plus de 60 millions d’années-lumière. Par extrapolation, ce travail permet d’estimer que ces filaments devraient contenir plus de la moitié de la masse totale de notre univers.

Sur cette image montrant la distribution de matière noire déduite de l'effet de lentille gravitationnelle, on a représenté en tirets le filament de matière noire de l'amas de galaxies MACSJ0717. En dessous, l'effet de perspective est corrigé pour montrer les véritables distances. © Nasa, Esa, Harald Ebeling (University of Hawaii), Karen Teramura (University of Hawaii) Sur cette image montrant la distribution de matière noire déduite de l'effet de lentille gravitationnelle, on a représenté en tirets le filament de matière noire de l'amas de galaxies MACSJ0717. En dessous, l'effet de perspective est corrigé pour montrer les véritables distances. © Nasa, Esa, Harald Ebeling (University of Hawaii), Karen Teramura (University of Hawaii)

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La théorie du Big Bang prédit que les fluctuations de matière aux premiers instants de notre univers sont responsables de la condensation de la majorité de la matière et que celle-ci se concentre en un enchevêtrement de filaments. Cette hypothèse a été validée par les simulations numériques : elles suggèrent que notre univers est structuré en une « toile cosmique » de filaments à l’intersection desquels se situent des amas de galaxies très massifs. Ces filaments, très étendus et très diffus, sont principalement constitués de matière noire.

Alors qu’un filament a été détecté pour la première fois en juillet 2012, l’équipe internationale dirigée par Mathilde Jauzac vient à son tour d’analyser un autre filament cosmique, mais cette fois en trois dimensions : une prouesse d’autant plus remarquable que ces filaments sont extrêmement étendus et très diffus, ce qui les rend très difficiles à détecter. Cette innovation a permis de déterminer la densité volumique du filament et de le comparer aux simulations.

Un filament de matière noire sur 60 millions d’années-lumière

Pour cela, l’équipe a combiné des images haute-résolution de l’amas de galaxies MACSJ0717 et du champ voisin provenant du télescope spatial Hubble, avec des images des télescopes au sol Subaru (NAO) et Canada-France-Hawaï (CFHT), puis avec des données spectroscopiques des galaxies de l’amas provenant des observatoires Keck et Gemini.

Sur cette image reconstituée à partir de 18 photos prises par Hubble, on voit l'amas de galaxie MACSJ0717. En utilisant l'effet de lentille gravitationnelle capable de mettre en évidence des distributions de masses non lumineuses, les astronomes ont détecté la matière noire fortement concentrée autour de l'amas à droite et dans le filament que  l'on devine s'étendre sur la gauche. © Nasa, Esa, Harald Ebeling (University of Hawaii at Manoa) & Jean-Paul Kneib (Lam)
Sur cette image reconstituée à partir de 18 photos prises par Hubble, on voit l'amas de galaxie MACSJ0717. En utilisant l'effet de lentille gravitationnelle capable de mettre en évidence des distributions de masses non lumineuses, les astronomes ont détecté la matière noire fortement concentrée autour de l'amas à droite et dans le filament que  l'on devine s'étendre sur la gauche. © Nasa, Esa, Harald Ebeling (University of Hawaii at Manoa) & Jean-Paul Kneib (Lam)

Cette technique a notamment permis à l’équipe de localiser des milliers de galaxies au sein du filament, et de mesurer le déplacement de la plupart d’entre elles. C’est en combinant les positions et les vitesses de toutes ces galaxies que les astronomes ont pu révéler la forme du filament en trois dimensions, ainsi que son orientation : il s’étend sur près de 60 millions d’années-lumière de long, derrière MACSJ0717, quasiment aligné avec notre ligne de visée. Il s’agit donc d’une structure exceptionnelle, même aux échelles astronomiques : si la masse mesurée peut être considérée comme représentative des filaments proches d’amas géants, alors les filaments cosmiques devraient contenir plus de la moitié de la masse de notre univers, bien plus que ne le prévoyaient les théoriciens.

Le futur télescope spatial, James Webb Space Telescope, sera un outil puissant et essentiel pour détecter ces filaments cosmiques grâce à sa très haute résolution.


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