La toile cosmique apparaît sur cette simulation numérique. Mais les chercheurs voulaient aller au-delà et obtenir enfin une véritable image des filaments de gaz qui la composent. Ils y sont enfin parvenus. © Andrew Pontzen, Fabio Governato, Hiranya Peiris, Wikipedia, CC by-2.0
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Les premières images de la toile cosmique révèlent une myriade de galaxies naines inattendues aux confins de l’Univers

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[EN VIDÉO] 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. 

Depuis longtemps, les astronomes savent que les galaxies se forment dans des filaments de gaz longs de millions d'années-lumière. Mais jamais encore ils n'avaient pu observer directement ces filaments de la toile cosmique. C'est désormais chose faite ! Roland Bacon, chercheur au CNRS, est le premier auteur de l'étude scientifique et le concepteur de l'instrument qui a permis de capter enfin ces images. Il nous raconte comment elles ont, non seulement révélé des filaments de toile cosmique, mais aussi une grande quantité de galaxies naines que les chercheurs n'attendaient pas.

Pour donner une image claire de la distribution en filaments de la matière qui constitue notre Univers, les astronomes parlent de toile cosmique. Sa structure est aujourd'hui bien décrite par le modèle standard de la cosmologie« Comme le résultat d'une sorte de compétition entre l'expansion et la gravité et les inhomogénéités qui sont apparues localement au début de l'histoire de l'Univers », nous précise en introduction Roland Bacon, chercheur au Centre de recherche astrophysique de Lyon (CNRS, université de Lyon, ENS de Lyon).

La toile cosmique se révèle indirectement par le fait que les galaxies ne sont distribuées ni uniformément ni au hasard. En étudiant des quasars -- des sortes de phares qui brillent aux confins de notre Univers --, les astronomes ont également relevé des raies d'absorption caractéristiques de la présence d'hydrogène. Plus marquées à mesure que l'on s'éloigne sur la lignée de visée.

« Ce sont des observations intéressantes. Mais les quasars restent des objets rares et nous étions en quête d'une image plus complète de la toile cosmique. Nous ne voulions plus nous contenter des images données par les simulations numériques », nous explique Roland Bacon. Et ce sont finalement les compétences d'une collaboration internationale qu'il a fallu mobiliser pour relever ce « challenge observationnel ».

« Le Multi Unit Spectroscopic Explorer (Muse) avait déjà permis d'obtenir une première image de cette toile autour d'un quasar. La puissante lumière de l'objet ayant permis d'illuminer les filaments. Mais nous restions curieux de savoir à quoi ressemblait réellement la toile cosmique en dehors de ces régions particulières qui entourent les quasars. Dans ces régions en effet, la densité est importante. Elles correspondent à des nœuds dans la toile. Elles ne sont pas du tout représentatives de l'Univers commun. Seuls environ 10 % de la masse de l’Univers se concentre dans ces nœuds ».

Un des filaments d’hydrogène (en bleu) découverts par Muse dans la constellation du Fourneau, à 11,5 milliards d’années-lumière de notre Terre. Il s’étend sur plus de 15 millions d’années-lumière, soit quelque 150 fois le diamètre de la Voie lactée. En arrière-plan, le champ ultra-profond de Hubble. © Roland Bacon, David Mary, ESO, Nasa

La lueur d’une myriade de galaxies naines

Pendant 140 heures, l'équipe a pointé le Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral (ESO) au Chili sur une région unique du ciel. Un couplage du système d'optique adaptative du télescope avec l'instrument Muse a permis de faire apparaître pour la première fois des images de plusieurs filaments de la toile cosmique tels qu'ils étaient un à deux milliards d'années seulement après le Big Bang.

Les astronomes s'attendaient certes à voir briller ces filaments. Depuis 40 ans, ils savent en effet que l'Univers baigne dans ce qu'ils appellent le fond cosmique ultraviolet« La somme du rayonnement ultraviolet émis par toutes les étoiles, toutes les galaxies, tous les quasars depuis le début de l'Univers. » Les modèles prévoient que ce rayonnement, aussi ténu soit-il, doit chauffer les gaz présents dans les filaments de la toile cosmique. Résultat : les gaz en question devraient se mettre à briller. Mais de façon extrêmement faible. « Et nos données ne correspondaient pas. »

« Le confinement nous a offert du temps pour les étudier dans le détail, nous raconte Roland Bacon. Nous avons retourné les problèmes dans tous les sens pour finalement envisager la présence d'une population très importante de galaxies naines -- 10.000 fois moins massives que notre galaxies. C'est l'explication la plus raisonnable de la lumière diffuse que nous observons sur nos images. Tout se passe un peu comme lorsque vous regardez la Voie lactée -- dans un ciel noir et dégagé. Vous ne pouvez pas distinguer les milliards d'étoiles qui la constituent. Mais vous voyez nettement la lumière qu'elles émettent. »

Les 2.250 galaxies du « cône » d’Univers observé par Muse sont représentées ici en fonction de l’âge de l’Univers. L’étude se concentre sur la jeunesse de l’Univers — de 0,8 à 2,2 milliards d’années —, en rouge sur le haut de la figure. Les 22 régions de surdensité de galaxies sont marquées par des rectangles gris. Les cinq régions où des filaments ont été identifiés de manière plus significative apparaissent en bleu. © Roland Bacon, David Mary

Ce n’est que le début de l’aventure

Les simulations développées par les chercheurs semblent confirmer l'hypothèse. Mais alors, « si autant de galaxies naines pouvaient exister entre un et deux milliards d'années après le Big Bang, il n'y a pas de raison de penser qu'il n'y en avait pas autant 500 millions d'années seulement après le Big Bang. Et dans ce cas, l'énergie lumineuse émise par toutes ces galaxies a pu être suffisante pour reioniser l'Univers provoquant ainsi la fin de la période des âges sombres. »

Les chercheurs vont désormais se pencher sur les phénomènes physiques qui se cachent derrière la formation de ces galaxies naines. Ils espèrent aussi mener des observations sur des échelles plus importantes. « Maintenant que nous avons une idée plus précise de ces filaments, nous pouvons envisager d'appliquer des méthodes statistiques qui nous permettront de retrouver ce signal dans d'autres champs de l'Univers et à d'autres âges. Et nous avons lancé la construction d'un grand frère pour MUSE. Avec un champ plus grand et un domaine de longueurs d'onde différent, BlueMUSE devrait nous permettre d'observer des filaments cosmiques un peu plus proches de nous. Mais il ne sera pas opérationnel avant une dizaine d'années. En attendant, le télescope spatial James Webb, de son côté, nous permettra peut-être de suivre dans l'infrarouge les filaments que nous avons détectés pour en apprendre un peu plus. L'European Extremely Large Telescope (E-ELT), quant à lui, ne disposera pas du champ nécessaire à observer la toile cosmique, mais il devrait permettre d'accéder à des galaxies beaucoup plus petites et permettre de tester notre hypothèse du rôle croissant des galaxies naines dans la pré-histoire de l'Univers. »

Affaire à suivre...

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