Sur cette image provenant d'une des meilleures simulations de la formation des grandes structures de l'Univers, des filaments de matière noire contenant des superamas de galaxies apparaissent clairement. On note aussi la présence de grands vides que l'on appelle parfois des vides cosmiques (cosmic voids, en anglais) © Max Planck Institute for Astrophysics, Millennium Simulation Project

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Hypérion, le proto-superamas de galaxies qui intrigue les astronomes

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À la recherche des secrets de la formation des grandes structures galactiques dans le cosmos observable, les astronomes de l'ESO ont fait la découverte d'un proto-superamas de galaxies qu'ils ont baptisé Hypérion. Contenant l'équivalent d'un million de milliards de masses solaires, ce titan cosmique déconcerte car il n'est pas évident de comprendre sa naissance rapide, en seulement 2 milliards d'années environ après le Big Bang.

En accéléré, regardez naître les galaxies  Sous nos yeux, se forment les galaxies, 20 millions d'années après le Big Bang. Elles grandissent, s'attirent, se rapprochent et fusionnent parfois. En d'autres endroits, elles restent groupées en amas, le long d'immenses filaments. Cette reconstitution, qui vient de la Nasa, retrace l'évolution d'un morceau de l'univers, jusqu'à la formation des grandes structures cosmiques que nous voyons aujourd'hui. 

Au cours des années 1970 et 1980, suite à la découverte du rayonnement fossile et à l'accréditation de la théorie du Big Bang, les cosmologistes se sont mis à développer deux grandes classes de modèles pour expliquer la formation des galaxies et des grandes structures les rassemblant en amas, et même superamas de galaxies, que l'on commençait à discerner de plus en plus clairement.

L'école russe privilégiait un modèle dans lequel de grandes structures s'effondraient les premières, gravitationnellement, dans la distribution de matière laissée par le Big Bang de sorte que les proto-superamas de galaxies naissaient les premiers, se fragmentant ensuite en ce qui allait devenir des amas de galaxies et finalement des galaxies. Il fallait pour cela supposer que le contenu initial en masse du cosmos observable soit dominé par des particules légères et très rapides, donc formant un gaz chaud, en l'occurrence des neutrinos, comme le pensait alors le cosmologiste Yakov Zel'dovich.

De l'autre côté de l'Atlantique, l'école états-unienne, sous l'influence de James Peebles, pensait exactement l'inverse. Les galaxies devaient apparaître les premières et ensuite se rassembler, toujours sous l'influence de la gravitation, en grandes structures. Mais il devint de plus en plus clair que pour cela, il fallait supposer l'existence de particules au contraire très massives et lentes donc formant un gaz froid, c'est-à-dire de la matière noire froide, comme l'on dit aujourd'hui.

Les observations de Cobe concernant le rayonnement fossile puis de WMap ont signé l'arrêt de mort du modèle de matière noire chaude russe. Le modèle de la matière noire froide est aujourd'hui considérablement étayé par les observations et les simulations numériques reproduisant les structures à grande échelle avec des amas de galaxies. Le modèle du Big Bang lui-même, comme l'illustrent les derniers résultats des analyses des données du satellite Planck, ne peut plus être sérieusement remis en doute. Mais il reste de nombreuses énigmes et l'on sait bien que l'on ne comprend pas encore aussi bien qu'on le voudrait comment naissent les galaxies (certainement au moins par fusions lors des collisions que l'on observe avec des galaxies naines) et les amas de galaxies.

Grâce à l’instrument Vimos, installé sur le Very Large Telescope de l’ESO, une équipe internationale d’astronomes a découvert une structure colossale au sein de l’Univers jeune. Ce proto-superamas de galaxies – qu’ils ont baptisé Hypérion – a été mis au jour grâce à de nouvelles mesures et à l’étude approfondie de données d’archives. Il s’agit de la structure la plus étendue et la plus massive découverte à ce jour à si grande distance et datant d’une époque si reculée, seulement 2,3 milliards d’années après le Big Bang. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

De fait, au fur et à mesure que nos instruments fouillent le cosmos observable lointain, et donc ancien - même si l'on voit bien des traces d'évolution irréversible en accord avec la théorie du Big Bang - on trouve un certain nombre de monstres, c'est-à-dire des galaxies et des amas de galaxies (voir l'article ci-dessous) dont les tailles sont plus grandes, plus tôt dans l'histoire de l'Univers qu'on ne s'y attendait. Sans que cela ne remette vraiment en question les fondements de la cosmologie standard toutefois.

Hypérion, une clé pour comprendre la formation des grandes structures

On voit un nouvel exemple de cet état de chose avec l'annonce faite par une équipe internationale d'astronomes de l'ESO ayant utilisé l'instrument Vimos, installé sur le Very Large Telescope, et qui concerne un proto-superamas de galaxies baptisé Hypérion, débusqué dans la constellation du Sextant, en analysant les données du Sondage ultra-profond Vimos (VUDS) conduit par Olivier Le Fèvre du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (l'astronome est à l'origine d'un dossier sur les galaxies pour Futura-Sciences). L'équipe menée par Olga Cucciati, de l'Institut national d'astrophysique (INAF) de Bologne, a exposé en détail les travaux à l'origine de cette découverte dans un article disponible en accès libre sur arXiv.

Hypérion, nommé en référence à l'un des Titans dans la mythologie grecque assimilé au Soleil, contiendrait une masse estimée à plus d'un million de milliards de fois celle du Soleil alors que le cosmos observable n'avait que 2,3 milliards d'années à ce jour.

Or, une telle masse ne se rencontre habituellement qu'avec les superamas de galaxies les plus récents et les plus étendus et ce proto-superamas constitue à ce jour la structure la plus étendue et la plus massive découverte datant d'une époque aussi reculée, comme le confirme dans ses commentaires dans un communiqué de l'ESO, Olga Cucciati. « C'est la toute première fois qu'une structure aussi étendue est identifiée à une époque seulement 2 milliards d'années après le Big BangNormalement, ce type de structure se rencontre à des redshifts moindres, correspondant à des stades plus avancés dans la formation de l'Univers. Ce fut une réelle surprise de constater l'existence d'une structure aussi évoluée au sein d'un Univers relativement jeune ! »

L'étude poussée d'Hypérion a montré tout de même qu'il possédait une structure à laquelle on pouvait naturellement s'attendre dans le cadre de la cosmologie standard. Même si sa taille étonne, les concentrations en amas de galaxies formant des filaments entourant des zones nettement moins denses ne sont pas aussi prononcées que celles que l'on observe dans les superamas plus récents et moins distants. Depuis le Big Bang, la gravitation n'a pas encore eu le temps de faire un travail similaire à celui effectué dans ces superamas. De sorte que l'effondrement gravitationnel du proto-superamas n'est pas encore aussi avancé, ce qui indique bien que l'on est encore au début de l'histoire du cosmos observable.

En fait, les cosmologistes pensent qu'étant donné sa taille, Hypérion aurait dû devenir une structure semblable aux superamas qui composent l'Univers local, tels que le Grand Mur de Sloan ou le superamas de la Vierge où se trouve la Voie Lactée.

Ainsi, comme l'explique Olga Cucciati toujours dans le communiqué de l'ESO : « Comprendre Hypérion et le comparer à de structures semblables récentes offre un aperçu de l'évolution des structures les plus massives de l'univers depuis un lointain passé, ainsi que l'opportunité de tester les modèles de formation des superamas. La découverte de ce géant cosmique dévoile le passé de ces vastes structures. »

  • Les simulations numériques, basées sur le modèle cosmologique standard avec de la matière noire froide et l'énergie noire, reproduisent en général plutôt bien la formation des grandes structures rassemblant les galaxies dans l'Univers.
  • Mais elles ne sont pas parfaites et, parfois, on découvre des grandes galaxies qui semblent apparaître plus tôt que prévu dans le cosmos observable, même si certaines théories basées sur des courants de matière alimentant leur croissance ont un certain succès parfois.
  • Après avoir découvert des amas de galaxies à flambée d'étoiles en cours de formation et très denses, précurseurs des grands amas mais qui sont deux fois plus jeunes que prévu, c'est un proto-superamas né plus vite que prévu et nommé Hypérion qui déroute un peu les cosmologistes, mais qui ne remet pas en cause le modèle cosmologique standard.
Pour en savoir plus

Amas de galaxies : leur formation déroute les cosmologistes

Article de Laurent Sacco publié le 07/05/2018

Des amas de galaxies se sont formés plus rapidement que ne le laissaient penser les simulations numériques réalisées d'après des observations menées avec des télescopes de l'ESO, comme Alma. La découverte déroute les cosmologistes, mais ne remet nullement en cause le modèle cosmologique standard.

Cela fait quelques décennies que les astrophysiciens réalisent des simulations numériques de plus en plus puissantes et précises pour décrire la formation des galaxies, et surtout la façon dont elles se rassemblent pour former des amas de galaxies, lesquels vont à leur tour donner des filaments constitués de ces amas enserrant des sortes de bulles beaucoup moins riches en matière.

Ces simulations sont comparées aux observations de plus en plus lointaines des galaxies et aussi, de plus en plus loin dans le passé. Elles sont contraintes par les données fournies par la mesure des caractéristiques du rayonnement fossile. Cela permet de tester plusieurs modèles de matière noire dont il existe de grandes classes divisées en jungles de sous-modèles. La classe, qui est devenue dominante, est celle de la matière noire froide qui suppose que les particules de matière noire sont lourdes, par exemple des wimps. Mais au début, les cosmologistes avaient aussi considéré des modèles de matière noire chaude, avec des particules légères qui auraient pu être des neutrinos du modèle standard. On a pensé aussi, pendant un temps, à des modèles faisant intervenir des cordes cosmiques issues des théories de Grande Unification.

Les mesures du rayonnement fossile par Planck ont fortement soutenu, aussi bien le modèle du Big Bang, que celui de la matière noire froide. Cela ne veut pas dire pour autant que l'on comprend complètement le monde des galaxies et des amas de galaxies.

Nous savons que les galaxies se sont formées à partir de galaxies naines qui étaient très nombreuses dans le jeune univers, plus dense il y a plus de 10 milliards d'années. Elles sont entrées en collision pour parfois fusionner, ce qui a provoqué des flambées transitoires mais spectaculaires de nouvelles étoiles. Nous pensons que des filaments de matière intergalactique alimentaient la croissance des jeunes galaxies. Mais il reste encore des détails à ce sujet, comme la part relative de ces deux processus, fusions et courant de matière, qu'il reste à bien comprendre et qui devraient être sous l'influence des concentrations initiales de matière noire et de leurs caractéristiques (on ne peut exclure qu'il faut en réalité faire intervenir une nouvelle loi de la gravitation décrite dans la cadre de la théorie Mond, ou en combinaison avec la théorie de la matière noire), ainsi que de processus relevant de la physique non-linéaire.

Les télescopes de l'ESO ont fait une découverte étonnante avec les amas de galaxies. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

Des galaxies et des amas de galaxies deux fois plus jeunes que prévu

On constate, depuis plusieurs années déjà, que l'on observe des grandes galaxies à des périodes anciennes de l'histoire du cosmos, si grandes que l'on a du mal à expliquer leur formation précoce même si on a des idées, notamment en faisant intervenir les courants de matière intergalactique. Un nouvel exemple de ce genre de problème vient d'être mis en évidence par les travaux de deux équipes internationales de chercheurs publiés sur arXiv et qui ont utilisé des observations en provenance de deux télescopes de l'ESO, Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) et Apex (Atacama Pathfinder Experiment).

Menés par Tim Miller de l'université Dalhousie au Canada et de l'université de Yale aux États-Unis et par Ivan Oteo de l'université d'Edimbourg au Royaume-Uni, les astrophysiciens ont examiné de plus près, et avec une résolution accrue, des objets qui apparaissaient comme des taches lumineuses floues sous l'œil d'instruments comme le South Pole Telescope et le défunt Télescope Spatial Herschel.

Il a été établi que ces objets étaient âgés de seulement 1,5 milliard d'années environ. Mais, ce que Alma et Apex ont révélé a quelque peu dérouté les cosmologistes, même s'il n'est nullement question d'y voir des observations remettant en cause les fondements de la cosmologie standard.

Alma, en particulier, a permis de découvrir que les deux objets vus par Apex et Herschel sont composés chacun d'une dizaine de galaxies massives, respectivement contenues dans des volumes dont les diamètres sont de quelques centaines de milliers d'années-lumière. Il s'agirait donc de proto-amas de galaxies, dont plusieurs seraient sur le point de fusionner, constituant les noyaux de colossaux amas de galaxies à venir. Ces galaxies sont de plus des galaxies à sursaut, dites aussi à flambée de formation d'étoiles (starburst galaxy, en anglais). Alors qu'il ne naît environ qu'une étoile par an dans la Voie lactée à notre époque, le taux de formation était de plusieurs dizaines, voire plusieurs milliers de nouvelles étoiles dans ces galaxies à ce moment-là.

Ces deux observations sont difficilement compréhensibles dans le cadre des simulations numériques de formation de tels objets aussi massifs qui prévoient plutôt leur apparition dans le cosmos observable, seulement trois milliards d'années après le Big Bang.

Les deux leaders des équipes à l'origine de ces découvertes ne cachent pas leur perplexité comme nous pouvons le constater dans un communiqué de l'ESO.

Ainsi pour Ivan Oteo : « La durée de vie des sursauts stellaires poussiéreux est considérée comme relativement courte, parce qu'ils consomment leur gaz à une vitesse extraordinairement élevée. À tout instant, et en tout point de l'Univers, ces galaxies sont généralement minoritaires. Découvrir de nombreux sursauts stellaires poussiéreux brillant au même instant s'avère donc particulièrement déroutant. C'est une réalité qu'il reste à comprendre. »

Pour Tim Miller : « Le processus responsable de l'agrégation si rapide d'un si grand nombre de galaxies demeure un mystère. Cet amas ne s'est pas construit graduellement au fil des milliards d'années, contrairement à ce que pensaient les astronomes. Cette découverte offre la formidable opportunité d'étudier la façon dont les galaxies massives se sont rassemblées pour former de gigantesques amas galactiques. »

Enfin pour leur collègue Carlos De Breuck : « Ces découvertes obtenues grâce à Alma ne sont que le sommet de l'iceberg. Des observations complémentaires effectuées au moyen du télescope Apex montrent que le nombre réel de galaxies à formation d'étoiles est vraisemblablement trois fois plus élevé. Une autre campagne d'observations actuellement menée avec l'instrument Muse installé sur le VLT de l'ESO conduit également à l'identification de d'autres galaxies. »

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