Planck : première découverte d’un superamas de galaxies grâce au rayonnement fossile

Le satellite Planck vient de découvrir un superamas de galaxies grâce à son empreinte sur le rayonnement fossile, témoin des premiers instants de l'Univers. Il s'agit d'une première pour le satellite, qui a également révélé, avec une extrême précision, de nouveaux amas de galaxies. Ces objets, qui abritent des centaines voire des milliers de galaxies, sont les plus grandes structures connues de l'Univers. Grâce à ces données, les scientifiques espèrent mieux comprendre comment la matière noire et la matière visible se rassemblent sous la forme de telles structures.

Depuis son lancement le 14 mai 2009, début de la mission de l'Agence spatiale européenne, le satellite Planck délivre des images exceptionnelles de la totalité du ciel. On peut y découvrir les plus grandes structures connues de l'Univers avec une précision inégalée dans le domaine des ondes millimétriques : les amas et les superamas de galaxies.

Pourtant, ces structures géantes n'émettent pas de rayonnement directement observable par Planck. Elles sont observées grâce à la détection des photons du rayonnement fossile (l'écho lumineux du Big-Bang), qui sont légèrement altérés lors de leur passage à travers les amas et superamas.
« Au cours de leur parcours à travers l'Univers, les photons du rayonnement fossile interagissent avec la matière qu'ils rencontrent. Ces interactions laissent des empreintes chargées d'informations précieuses sur l'évolution de l'Univers » explique Nabila Aghanim, de l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay[1]. C'est notamment le cas de l'effet Sunyaev-Zel'dovich, produit par interaction des photons avec le gaz chaud présent à l'intérieur des amas de galaxies, et qui change légèrement la fréquence des photons issus du fond cosmologique. Cet effet SZ, caractéristique de la présence d'amas de galaxies, se manifeste par une zone donnée du ciel plus sombre que la moyenne aux fréquences plus basses que 217 GHz (soit 1,3 mm de longueur d'onde) et plus brillant aux plus hautes fréquences.

Par sa capacité à produire des images du ciel en 9 « couleurs » dans le domaine des ondes millimétriques, le satellite Planck est unique et surtout idéal pour observer l'effet SZ dans sa version sombre et brillante. « Ceci est un atout majeur de Planck, lui permettant de détecter facilement les amas de galaxies en utilisant la différence de couleur entre basses et hautes fréquences » indique Marian Douspis de l'IAS1. « Avec cette technique, rajoute Jean-Baptiste Melin, du CEA Irfu[2], nous serons capables de détecter plus d'un millier d'amas de galaxies sur l'intégralité du ciel ». Les amas de galaxies sont parmi les plus grandes structures et les plus récemment formées de l'Univers. Ils permettent donc de retracer l'évolution de ce dernier et surtout de mieux comprendre comment la matière noire et la matière visible s'organisent et se structurent.

L'autre atout essentiel de Planck réside dans le fait que c'est la seule expérience capable d'observer le ciel entier et donc d'imager les grandes échelles angulaires en plusieurs couleurs dans les ondes millimétriques. « Nous sommes maintenant en mesure de comparer une image composite multi-fréquences de l'amas Coma obtenue avec Planck avec l'émission dans le domaine des rayons X du gaz chaud obtenue grâce au satellite ROSAT », explique Etienne Pointecouteau, du Centre d'études spatiales et des rayonnements de Toulouse[3]. Coma est un amas proche, bien étudié, qui couvre plus de 2 degrés sur le ciel, c'est à dire plus de quatre fois la taille apparente angulaire de la Lune. Il est très chaud et présente donc une émission forte dans le domaine des rayons X (image de droite) ainsi qu'un effet SZ fort et étendu (image de gauche). « Avec ces deux images X et SZ, et en utilisant des observations à d'autres longueurs d'onde, visible ou infrarouge, nous en saurons beaucoup plus sur les processus physiques en action dans ces objets exceptionnels » précise Monique Arnaud, du laboratoire « Astrophysique, instrumentation et modélisation » de Paris-Saclay[4].

 

Les premières observations de l'intégralité du ciel tout juste achevées nous ont déjà permis de découvrir de nouveaux amas de galaxies mais également des structures encore plus grandes, et dans ce cas précis, un superamas de galaxies. Un programme d'observations complémentaires alloué par le responsable scientifique du satellite XMM-Newton, a permis de confirmer la découverte de nouveaux amas. « Les observations faites avec XMM-Newton ont révélé que l'un des « candidats amas » était en réalité un superamas constitué d'au moins trois amas de galaxies » ajoute Monique Arnaud. « C'est la toute première fois que l'on découvre un superamas de galaxies grâce à l'effet Sunyaev-Zel'dovich » dit Nabila Aghanim. Là encore, l'étude détaillée de ces objets rares permettra de lever le voile sur l'organisation de la matière en galaxies, gaz et matière noire. « Cela ouvre de belles perspectives pour l'utilisation scientifique de l'échantillon du catalogue d'amas de galaxies qui sera rendu public début 2011 » conclut Jean-Loup Puget, de l'IAS, le responsable scientifique du projet.

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