Formation des premières structures aux débuts de l'Univers. Cette simulation numérique montre la formation des grandes structures par l'effet de la gravité dans un cube d'univers de 150 millions d'années-lumière de côté. L'intensité lumineuse mesure la densité et la couleur, la température croissante du gaz (du bleu au rouge). Chaque point brillant est une galaxie en formation. Au croisement des filaments de matière, se développent les grands amas de galaxies. © Film 3D - Horizon Simulations at MareNostrum 2010, CEA
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Que faut-il penser de G237, le proto-amas de galaxies découvert par Planck et qui déroute les cosmologistes ?

ActualitéClassé sous :cosmologie , amas de galaxies , PHz G237.01+42.50

[EN VIDÉO] Les secrets de la mission Planck  Le satellite Planck constitue une formidable machine à remonter dans le temps, capable de nous livrer plusieurs secrets sur l'origine, la structure et la composition de l'univers. Les cosmologistes et les astrophysiciens l'ont utilisé pour cartographier sur la voûte céleste, avec une précision inégalée, les fluctuations de température et de polarisation de la plus vieille lumière du monde, celle du rayonnement fossile. Cette vidéo réalisée par le consortium HFI-Planck, l'agence de communication Canopée et avec l'aide de Jean Mouette, de l'IAP (Institut d'astrophysique de Paris), nous explique en quoi consiste cette mission. 

L'étude des amas de galaxies nous renseigne sur bien des aspects de la cosmologie et de la cosmogonie, de la nature de la matière noire à l'effondrement gravitationnel à l'origine de bien des étoiles et des galaxies. Un proto-amas de galaxies exotique a été débusqué en étudiant les données de la mission Planck et on n'explique pas très bien ses propriétés. Nous avons demandé à Hervé Dole, astrophysicien à l'IAS (CNRS/Université Paris-Saclay), de nous parler de la découverte de cet objet à laquelle il a participé.

C'est au cours du XIXe siècle, avec la naissance de l'astrophysique et la montée en taille, donc en puissance des lunettes et autres télescopes que le Monde de Laplace et Newton, c'est-à-dire essentiellement le Système solaire, s'est étendu jusqu'aux étoiles. Il faudra attendre les années 1920 pour que la noosphère s'aventure dans le royaume des nébuleuses extragalactiques avec Edwin Hubble et que soit donc admise la théorie des Univers-îles du philosophe Emmanuel Kant, inspiré par les idées de Thomas Wright, faisant de la nébuleuse d'Andromède (M31 dans le Catalogue de Messier) une galaxie comme la Voie lactée. Aujourd'hui, nous en sommes arrivés à envisager l'existence d'un multivers dans lequel notre Univers observable lui-même serait ravalé au même rang que notre Galaxie.

Ces cartographies successives se sont aussi doublées de cosmogonies cherchant à expliquer l'origine de ces objets. Les toutes premières sont magistralement exposées dans le traité de Poincaré et on peut consulter aussi avec profit le traité de James Jeans à leur sujet. 

Au cours du XXe siècle, nous nous sommes aperçus qu'elles étaient à la racine de notre existence même, de sorte que nous sommes en quête d'une connaissance sans cesse approfondie des processus ayant mené du Big Bang au vivant.

Un chapitre de cette connaissance concerne la naissance des premières étoiles et des premières galaxies, lesquelles vont se rassembler pour former les grandes structures que nous observons sous forme de filaments enlaçant des sortes de vides cosmiques et contenant des superamas de galaxies.

Ce qu'il a été convenu d'appeler le Modèle standard en cosmologie donne les bases pour écrire ce chapitre et il se nourrit aussi bien d'observations que de simulations numériques faisant intervenir les interactions entre la matière noire, qui se dérobe encore aux détecteurs, et la matière baryonique ordinaire faite de protons et de neutrons.

Parmi les instruments utilisés pour développer le Modèle standard, il en est sans doute deux qui ont été et sont encore particulièrement importants, à savoir le télescope Hubble et le satellite Planck qui a permis de mesurer et d'étudier comme jamais la plus vieille lumière du cosmos observable, le rayonnement fossile.

L'étude du spectre de ce rayonnement et de sa polarisation est un peu l'analogue de l'étude de celui d'une étoile, car elle fournit une sorte de carte d'identité du cosmos observable en permettant d'estimer son âge, sa forme, sa composition et même son histoire. À cet égard, l'héritage de Planck est bien vivant et il a conduit à des énigmes dont nous n'avons toujours pas les solutions. L’une d’elles concerne la détermination exacte de la constante de Hubble-Lemaître concernant l’accélération de l’expansion de l’Univers. Mais, il y a aussi celle des amas de galaxies et maintenant des proto-amas de galaxies avec leur fiévreuse formation d'étoiles, comme Futura l'avait expliqué dans le précédent article ci-dessous.

Bien qu'elles ne remettent pas en cause le modèle cosmologique standard, à ce stade du moins, les galaxies à flambée de formation d'étoiles (starburst galaxy, en anglais) découvertes dans le proto-amas de galaxies baptisé PHz G237.01+42.50, ou G237 en abrégé, ne s'expliquent pas dans le cadre des simulations numériques basées sur ce modèle pour rendre compte de la naissance et de l'évolution des galaxies et amas de galaxies.

Comme annoncé, Futura a cherché à en savoir plus en interrogeant l'un des chercheurs à l'origine de cette découverte le Planckien Hervé Dole, astrophysicien à l'IAS (CNRS/Université Paris-Saclay).

Mais, avant de lui laisser la parole, rappelons que ce n'est pas la première fois que l'on découvre des proto-amas (on peut citer l'exemple de SSA22) et même des super proto-amas de galaxies. G237 n'est pas non plus le plus lointain connu. Rappelons aussi que pendant un temps, les cosmologistes ont été surpris de découvrir des grandes galaxies déjà moins de deux milliards d'années après la fin du Big Bang, ressemblant à celles que l'on observe beaucoup plus tard dans l'histoire du cosmos et qu'on avait du mal à comprendre leur naissance avec les modèles dont on disposait, faisant intervenir des fusions de petites galaxies. Les chercheurs sont beaucoup moins surpris depuis que le nouveau paradigme de la naissance et de la croissance des galaxies est celui qui fait intervenir des filaments de matière froide, comme le cosmologiste français Romain Teyssier l’avait expliqué à Futura.

« Pourquoi la nuit est-elle noire s’il y a tant d’étoiles ? » pourrait être une question qu’un enfant poserait à ses parents. Pourtant la réponse s’avère ne pas être du tout évidente. Hervé Dole, spécialiste en cosmologie nous éclaire avec un exposé passionnant. Spécialiste des galaxies infrarouges, du rayonnement extragalactique, et plus généralement de la formation des grandes structures en cosmologie, il a travaillé pour la Nasa (à l’université d’Arizona) avant de devenir enseignant-chercheur à Orsay en 2004. © TEDx Talks

Futura-Sciences : On sait que Planck permet de détecter des amas de galaxies en utilisant l'effet Sunyaev-Zel'dovich qui est produit par des collisions entre les électrons du plasma très chaud baignant ces amas avec les photons du rayonnement fossile. Lors des chocs, les électrons donnent de l'énergie à ces photons et changent donc localement sur la voûte céleste le spectre de corps noir de ce rayonnement. A-t-on utilisé la même méthode pour détecter les proto-amas ?

Hervé Dole : Non, car ce qui nous intéressait ce sont précisément des proto-amas, donc ce qui se passait au début de l'histoire du cosmos observable. Ces objets doivent être le lieu d'une formation importante d'étoiles et leur étude doit permettre de mieux comprendre ce qui la régule dans les galaxies, voire ce qui la supprime. Cela doit aussi permettre de mieux comprendre ce qui se passait dans des noyaux actifs de galaxies, comme des quasars.

Or, dès 2005, il était clair que l'on pouvait détecter avec Planck le rayonnement infrarouge de la poussière des galaxies avec un fort taux de formation d'étoiles qui devaient être très brillantes pour cette raison dans ces proto-amas à décalage spectral élevé, donc vus lorsque l'Univers observable n'avait que quelques milliards d'années.

Nous avons donc rapidement entrepris de les chercher dans les données de Planck et nous avons ainsi trouvé environ 2.000 candidats potentiels dès 2010 et nous avons publié à ce sujet en 2015-2016.

Futura-Sciences : Pourquoi avez-vous décidé aussi d'utiliser Herschel dans le même but ?

Hervé Dole : Les décalages spectraux du rayonnement infrarouge de ces candidats restaient observables dans l'infrarouge dans la bande spectrale accessible avec Herschel. Mais on disposait avec lui d'une résolution bien meilleure que celle de Planck. Au lieu de voir simplement des points brillants pour chaque proto-amas potentiel, on pouvait désormais distinguer des dizaines de galaxies dans chaque proto-amas.

En bas au milieu, la totalité du ciel observé par Planck à 545 GHz, avec en points rouges les candidats identifiés, puis observés par Herschel. Tout autour, quelques images de Herschel, avec les contours de densité de galaxies. © Dole, Guéry, Hurier, ESA, Planck Collab., HFI consotrium, IAS, CNES, univ. Paris-Sud, CNRS

Futura-Sciences : Alors, pourquoi avez-vous entrepris d'utiliser aussi le télescope Subaru et Le Grand Télescope Binoculaire ?

Hervé Dole : Avec Herschel, le catalogue de candidats s'est réduit à environ 200 proto-amas présumés et nous avons même obtenu des indications que ces proto-amas étaient dans certains cas amenés à fusionner pour donner des proto-amas de plus grande taille. Mais nous n'avions toujours pas de décalages spectraux précis et nous ne savions pas avec certitude si certains des candidats n'étaient pas simplement des objets beaucoup plus récents, en avant-plan des observations du fond de rayonnement fossile.

Il se trouve qu'un des candidats restant suite aux observations de Herschel, PHz G237.01+42.50, en abrégé G237, était le seul à faire partie du « champ Cosmos », une région de la voûte céleste dont la taille est environ dix fois supérieure à celle de la Pleine Lune, dans la constellation des Sextans. Ce champ a été cartographié par une multitude d'instruments depuis des décennies et on pouvait donc déjà préciser bien des choses concernant l'environnement de G237 sur la voûte céleste.

Une plongée dans le champ Cosmos. © Hubble, ESA

Futura-Sciences : Vous vous êtes finalement convaincu que vous étiez bien devant un proto-amas de galaxie ?

Hervé Dole : Absolument, et nous pouvons l'observer également dans le visible et l'ultraviolet. Son décalage spectral indique que nous le voyons tel que le cosmos était environ 3 milliards d'années après le Big Bang, alors que la formation d'étoiles était à son maximum et que l'on parle même de « midi cosmique » (cosmic noon, en anglais) pour caractériser cette époque.

Futura-Sciences : Le taux de formation d'étoiles vous a surpris ?

Hervé Dole : Oui, pour tout l'amas, et nous savons qu'il contient un peu plus d'une trentaine de galaxies, il est environ 10.000 fois plus important que dans le cas de la Voie lactée qui forme environ une masse solaire sous forme d'étoiles chaque année. En fait, ce sont surtout quelques-unes de ces galaxies qui ont un taux spectaculaire, celles qui sont au centre du proto-amas. On ne peut s'empêcher de penser qu'elles vont fusionner pour être à l'origine de celles que l'on appelle en anglais des Brightest Cluster Galaxies, ou BCG, généralement des galaxies elliptiques.

Basiquement, une BCG est définie comme la plus brillante galaxie dans un amas et certaines d'entre elles sont les plus massives que l'on connaisse, pouvant contenir plusieurs dizaines de fois la masse de la Voie lactée.

Lorsque l'on compare le taux de formation observé, qui est notamment d'une centaine de masses solaires pour les galaxies les plus brillantes et au cœur de G237, il est 3 à 10 fois plus élevé que celui prédit par les simulations numériques basées sur le Modèle standard en cosmologie.

Futura-Sciences : Faut-il donc remettre en cause le Modèle standard avec matière et énergie noire ?

Hervé Dole : Il n'y a pas de raison de le faire à ce stade même s'il faut bien sûr revoir les modèles numériques de la formation stellaire dans les proto-amas. Ce n'est pas nouveau, plusieurs fois les modèles de formation d'étoiles se sont trouvés mis en défaut par des observations de l'astronomie infrarouge montrant des régions dans la Voie lactée ou dans d'autres galaxies qui produisaient plus d'étoiles que prévu initialement et il n'a pas été nécessaire d'introduire de la nouvelle physique pour en comprendre les raisons.

Futura-Sciences : Faut-il faire intervenir le paradigme des filaments de matière froide ?

Hervé Dole : Cela pose des problèmes mais il est difficile de se prononcer. G237 correspond à une période ou justement l'évolution des structures de l'Univers observable est difficile à saisir. Ce qui est certain c'est que l'exemple de G237, qui est celui du meilleur proto-amas caractérisé, doit probablement être assez représentatif des autres proto-amas puisque c'est le premier que nous étudions aussi bien et ce serait bien étrange qu'il soit précisément une anomalie.

Pour en savoir plus

Planck a découvert un proto-amas de galaxies en formation questionnant les simulations cosmologiques

Article de Laurent Sacco publié 31/10/2021

Des télescopes sur Terre ont confirmé les observations du satellite Planck qui laissaient entrevoir l'existence d'un proto-amas de galaxies. Mais elles ont aussi révélé qu'il était le lieu d'un taux de formation d'étoiles spectaculaire, dix-mille fois plus élevé que celui de notre Voie lactée, que l'on ne comprend pas facilement avec les modèles de la cosmologie actuels décrivant la croissance des galaxies.

On discute de l'origine des galaxies dans le cadre des modèles cosmologiques relativistes depuis au moins les années 1930 et l'histoire à ce sujet est très riche et très intéressante comme on peut s'en convaincre en lisant le célèbre ouvrage du prix Nobel de physique James Peebles : Large-Scale Structure of the Universe.

Basiquement, on fait intervenir des fluctuations de densité initiales dans la matière née pendant le Big Bang et comme toujours, c'est Georges Lemaître qui fut le premier à comprendre dans quelles directions la cosmologie relativiste devait se développer, anticipant bien des résultats modernes. Les zones les plus denses sont instables et vont s'effondrer gravitationnellement. Au début, le phénomène est décrit par des équations simples et on reste dans ce que l'on appelle des approximations linéaires, proches de la physique de Newton. Si ces équations sont faciles à résoudre analytiquement, il arrive un moment où les densités et l'effondrement deviennent si importants qu'il faut résoudre des équations non linéaires, comme dans le cas des écoulements de fluides pour des avions à grande vitesse et cela nécessite des calculs numériques sur ordinateur (voir par exemple à ce sujet Introduction to cosmology de Jayant Narlikar).

Extrait de la plateforme TV-Web-cinéma « Du Big Bang au Vivant » qui couvre les plus récentes découvertes dans le domaine de l'astrophysique et de la cosmologie (2010). © Jean-Pierre Luminet

Planck et l'origine des galaxies

Les fluctuations de densité s'accompagnaient de fluctuations de températures et elles ont laissé une empreinte dans le fameux rayonnement fossile qui a été étudié et cartographié de façon spectaculaire par le satellite Planck et l'équipe mondiale d'astrophysiciens, les « Planckiens », qui ont participé à cette grande aventure de la noosphère en quête de ses origines. Les lecteurs de Futura connaissaient bien l'une de ces chercheurs, hélas décédée tragiquement, Cécile Renault. Une autre membre des Planckiens, Laurence Perrotto, nous avait longuement parlé du rayonnement fossile.

Planck a confirmé ce que l'on savait déjà depuis des décennies, à savoir que les fluctuations de densité dans la matière connue, déduites de l'étude du rayonnement fossile, étaient trop faibles pour que les galaxies et les amas de galaxies se soient déjà formés. Pour résoudre la contradiction, on peut supposer l'existence d'une composante de matière noire plus importante que la matière connue et qui n'émettant pas de lumière, laisse une trace indirecte plus subtile dans le rayonnement fossile. Trace que l'on a effectivement vue et qui constituent une preuve plutôt très convaincante de l'existence de la matière noire même si tout dernièrement la théorie Mond a marqué un point à ce sujet.

Le modèle cosmologique standard, dont l'un des pionniers est justement James Peebles, fait donc intervenir une composante de matière noire dite froide, car ses particules se déplaceraient à des vitesses faibles devant celle de la lumière tout comme celles d'un gaz froid (la température augmente l'agitation thermique et les vitesses dans un gaz). Cette matière exotique peut s'effondrer bien plus rapidement entrainant avec elle la matière ordinaire, laquelle formera d'abord des étoiles puis des galaxies et des amas de galaxies se rassemblant en donnant des grandes structures selon le modèle cosmologique standard avec matière noire, mais aussi avec une composante exotique supplémentaire que l'on désigne sous le terme d'énergie noire mais qui se traduit plus exactement sous la forme d'une constante cosmologique. Tout ceci est excellemment résumé et exposé dans la vidéo ci-dessous que le lecteur devrait visionner pour aborder la suite de cet article au mieux.

Depuis environ 13,8 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA Recherche

Une formation fiévreuse de nouvelles étoiles

Aujourd'hui, comme l'explique un communiqué du Cnrs, une équipe internationale d'astrophysiciens impliquant des chercheurs de l'Université Paris-Saclay, de l'Université de Toulouse III - Paul Sabatier, d'Aix-Marseille Université et de l'Université Claude Bernard de Lyon, explique avoir plongé dans le passé lointain de l'Univers observable et avoir confirmé une des prédictions du modèle cosmologique standard : l'existence de proto-amas de galaxies en formation. On peut s'en convaincre avec deux publications dans les revues MNRAS et A&A mais que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv.

L'existence de ces proto-amas, donc formés de galaxies très jeunes en cours de rapprochement sous l'effet de la gravitation, était déjà prédite notamment par des simulations numériques mais on pensait en voir potentiellement déjà environ 2.000 dans les observations du rayonnement fossile faites par Planck au début des années 2010. Ces proto-amas potentiels étaient bien sûr observés alors que le cosmos devait déjà avoir des milliards d'années.

Les astrophysiciens avaient déjà tenté de confirmer l'existence de ces proto-amas en utilisant les données d'une autre mission célèbre de l'ESA, celle du satellite Herschel. Finalement, en combinant également des observations de plusieurs autres télescopes au sol, le Subaru japonais à Hawaï et le Grand télescope binoculaire (Large Binocular Telescope Observatory) états-unien, situé à 3.267 mètres d'altitude sur le mont Graham, en Arizona, les astrophysiciens peuvent maintenant annoncer l'existence du proto-amas baptisé PHz G237.01+42.50, ou G237 en abrégé. Il est étonnant car il contient quelques galaxies qui forment des étoiles à un taux bien plus élevé que celui de la Voie lactée actuellement (avec environ une masse solaire convertie en étoile chaque année.)

Parmi les chercheurs à l'origine de cette découverte qui concerne un astre vu tel qu'il était environ 3 milliards d'années après le Big Bang, on trouve le Planckien Hervé Dole, astrophysicien à l'IAS (CNRS/Université Paris-Saclay) et co-signataire des deux études disponibles sur arXiv. Il a commenté l'événement dans le communiqué du CNRS mais aussi sur son compte Twitter : « Planck a détecté ces candidats proto-amas depuis l'espace il y a environ une décennie. Leur confirmation et leur étude ont nécessité du temps, de nombreuses observations avec d'autres télescopes et un travail acharné de la part des chercheurs et des étudiants. C'est une grande réussite de voir enfin l'un de ces proto-amas étudié en détail, mais de nombreuses questions restent ouvertes car ils remettent en cause les modèles de leur formation et en partie notre compréhension de la formation des étoiles dans les halos de matière noire les plus massifs de l'Univers lointain. La mission spatiale européenne de cosmologie Euclid, qui devrait être lancée en 2023, devrait permettre d'identifier d'autres structures de ce type, permettant ainsi de dégager des lois plus générales que celles fondées sur quelques cas individuels ».

Hervé Dole a bien voulu répondre aux questions de Futura et son interview fera bientôt suite à cet article. Signalons aussi celui que l'astrophysicien et cosmologiste a écrit et publié tout récemment dans The Conversation France.

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