Une vue d'artiste du satellite Planck. © Esa, ESO, STECF, Wolfram Freudling-Esa / AOES Medialab

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D'après Planck et l'effet SZ, il manque des amas de galaxies

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Le catalogue des amas de galaxies dressé grâce aux observations de Planck montre qu'il y a moins d'amas dans l'univers observable que n'en prédit le modèle cosmologique standard. Pour expliquer ces observations sans remettre en cause les abondances de matière et d'énergie noires, il semble qu'il faille supposer que les amas soient plus massifs qu'on ne le pensait. Mais l'origine de cette masse supplémentaire est énigmatique...

Il y a deux ans, alors que Futura-Sciences interrogeait Alain Blanchard (Irap), sur le nouveau modèle d'énergie noire qu'il venait d'introduire avec ses collègues Arnaud Dupays (LCAR) et Brahim Lamine (LKB), le cosmologiste était revenu sur ses travaux précédents concernant les abondances de matière noire dans les amas de galaxies. Pendant un temps, cela l'avait conduit à douter de l'existence de l'énergie noire avant qu'il ne change d'avis. Alain Blanchard nous avait confié : « je crois toujours qu'il y a un problème avec les amas de galaxies. D'ailleurs, si les dernières observations de Planck concernant les amas au moyen de l'effet Sunyaev-Zel'dovich sont bel et bien compatibles avec l'existence de l'énergie noire, elles confirment aussi qu'il y a quelque chose que nous ne comprenons pas bien ».

Avec ses collègues Stéphane Ilic, du Centre de Physique Théorique, CPT (CNRS, Université Aix-Marseille, Université de Toulon) et Marian Douspis, IAS (CNRS, Université Paris-Sud, Cnes) le chercheur est récemment revenu sur cette question dans un article déposé sur  arxiv. Pour comprendre le travail des cosmologistes, il faut connaître un célèbre effet découvert par deux grands cosmologistes russes, d'abord théoriquement à la fin des années 1960, puis observé en 1983 : l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ).

Yakov Borisovich Zel'dovich était l'un des plus grands noms de la physique et de la cosmologie du XXe siècle. Ses contributions sont innombrables dans des domaines aussi divers que l'adsorption et la catalyse, les ondes de choc, la physique nucléaire, la physique des particules, l'astrophysique, la cosmologie et la relativité générale. Stephen Hawking lui avait avoué lors de son premier voyage en ex-URSS : « Avant de vous avoir rencontré, je pensais que vous étiez un auteur collectif, comme Bourbaki ». Quant à Rashid Alievitch Sunyaev, qui fut l'un des collaborateurs de Zel'dovich, il s'est vu attribuer il y a quelques année le célèbre prix Crafoord.

Sunyaev et Zel'dovich ont compris qu'un gaz d'électrons chauds, comme il en existe dans bien des situations astrophysiques, devait faire subir aux photons du rayonnement fossile un effet Compton inverse. Ce rayonnement possède un spectre de corps noir, caractérisé par une relation précise entre la fréquence et l'intensité du rayonnement.

L'effet Sunyaev-Zel'dovich sur le rayonnement du rayonnement de fond diffus est visualisé sur ce schéma montrant en ordonnées son intensité (Intensity) en fonction de sa fréquence (Frequency) et de sa longueur d'onde (Wavelength) en abscisses. La courbe initiale de corps noir du rayonnement fossile (tiretée) est distordue et déplacée vers les hautes fréquences, pour donner l'intensité du rayonnement de fond diffus en traits pleins. © Annu. Rev. Astron. Astrophys.

Qu'est-ce que l'effet Sunyaev-Zel'dovich ?

En subissant des collisions (l'effet Compton) avec les électrons énergétiques d'un plasma chaud, les photons sont portés à des énergies plus élevées, ce qui se traduit par un déficit de photons de basses énergies dans le spectre du rayonnement fossile et, corrélativement, par un excès de photons de plus hautes énergies. La courbe du spectre du corps noir du rayonnement de fond diffus apparaît donc comme distordue et décalée vers les hautes fréquences, comme le montre le schéma ci-dessus.

Dans les amas de galaxies existe un gaz d'électrons chauds, porté à des températures de plusieurs millions de kelvins. Ce gaz rayonne copieusement dans le domaine des rayons X, rendant possible la détection des amas de galaxies à l'échelle cosmologique, notamment par des satellites comme Rosat, Chandra et XMM Newton. Sa présence permet de repérer et même de mesurer une forte composante de matière noire au sein d'un amas. Sans elle et la gravité qu'elle génère, le gaz de matière normale, trop chaud, se serait échappé.

Une vidéo sur la mission Planck et le rayonnement fossile. © Planck HFI

Un outil pour la cosmologie

L'effet SZ a été observé au niveau des amas de galaxies. Il peut servir à observer leur distribution à grandes distances et à évaluer différents paramètres cosmologiques, comme la constante de Hubble, la densité de matière dans l'univers observable, etc. Avec son extraordinaire capacité à observer et mesurer le rayonnement fossile, le satellite Planck est un outil tout désigné pour repérer des amas de galaxies en détectant dans ce rayonnement un effet SZ. C'est bien ce qu'il a permis de faire. Les membres de la collaboration Planck ont finalement publié en février 2015 un impressionnant catalogue contenant 1.653 candidats au titre d'amas de galaxies mis en évidence par effet SZ (voir le site de Planck HFI). C'est le plus grand catalogue d'amas détectés par effet Sunyaev-Zel'dovich à ce jour et 1.093 sources ont été déjà confirmées par d'autres observations indépendantes.

Le modèle cosmologique standard, qui contient des proportions définies de matière noire et d'énergie noire, permet de comprendre dans les grandes lignes la formation des amas de galaxies. Ils naissent à partir de fluctuations de densité primordiales lisibles, par exemple, dans les variations de température du rayonnement fossile. La connaissance de ces fluctuations permet d'évaluer ensuite théoriquement l'abondance d'amas de galaxies dans l'univers observable grâce aux observations de Planck. Les mesures de Planck via l'effet SZ permettent également ensuite de mesurer cette abondance et de vérifier si les observations collent aux prédictions du modèle standard.

La masse des amas revue à la hausse

Surprise, la quantité d'amas est en fait 3 à 4 fois moins importante que ce que prédit la théorie. Pour conserver le modèle standard et ses abondances de matière noire et d'énergie noire, il faut admettre que les amas, qui se rassemblent dans des structures plus vastes formant des filaments, contiennent environ 70 % de masse supplémentaire. Or, pour la majorité des cosmologistes spécialistes de l'observation des amas, cela est peu crédible (voir, de nouveau, le site de Planck HFI).

Alain Blanchard, Marian Douspis et Stéphane Ilic se sont attaqués à ce problème en revisitant les estimations des masses des amas à partir du rayonnement X qu'ils émettent. Là encore, le modèle standard peut s'accorder avec les observations si l'on suppose que les amas contiennent 70 % de masse en plus. Mais il se pourrait que cet accord ne soit en fait que de façade. Il faudrait faire intervenir des nouvelles idées et peut-être même de la nouvelle physique pour rendre compte de façon cohérente des ces observations, par exemple en postulant l'existence de neutrinos massifs.

Avant d'en arriver là, il faudra peut-être attendre une nouvelle estimation de la masse des amas qui soit beaucoup plus précise et plus robuste. Le futur satellite de l'Esa, Euclid, devrait permettre de telles mesures en utilisant un autre aspect de l'héritage de la relativité générale d'Einstein : l'effet de lentille gravitationnelle.

En tout état de cause, la situation est très précisément la suivante comme l'a expliqué à Futura-Sciences Alain Blanchard : « C'est un des rares resultats de Planck qui "pose question". Soit les masses des amas ont été correctement estimées par les observateurs et alors il faut revoir le modèle standard, par exemple en ajoutant des neutrinos massifs, soit les masses sont plus grandes et tout rentre dans l'ordre. Il y a donc deux tendances chez les cosmologistes : ceux qui ont confiance dans les estimations antérieures de masse des amas et qui sont prêts à revoir le modèle (la publication XX de la collaboration Planck en 2013 est un peu dans cet esprit) et ceux qui croient au modèle standard, pensant qu'il faut revoir les estimations de masse des amas (ce qui est l'esprit de la publication Planck 2013 XVI) ».

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