Une équipe internationale européenne et chilienne, menée par Marguerite Pierre du Service d'Astrophysique du CEA-DAPNIA, vient d'analyser les premiers résultats d'un sondage profond de l'Univers réalisé dans le domaine des rayons X grâce au satellite XMM-Newton de l'Agence Spatiale Européenne (ESA). Ce sondage est l'objectif d'un grand programme scientifique, baptisé "Sondage de la structure à grande échelle avec XMM" (XMM Large Scale Structure Survey ou XMM-LSS) qui regroupe plusieurs dizaines de laboratoires internationaux, pour étudier l'évolution de la distribution de matière dans l'Univers jusqu'à des distances de plusieurs milliards d'années-lumière (correspondant à des décalages vers le rouge de l'ordre de 1). L'objectif ultime de ce projet est de déterminer la distribution dans l'espace des amas de galaxies et des noyaux actifs de galaxies (AGN) dans une zone du ciel de 64 degrés carrés (8 degrés de coté soit plus de 15 fois le diamètre solaire).
Les premiers résultats, qui ont été obtenus une région test de 5 degrés carrés, font apparaitre une abondance d'amas de galaxies en accord avec les prédictions théoriques des modèles d'Univers où l'action d'une grande quantité de matière sombre se combine avec une expansion accélérée pour former ces premières grandes structures regroupant des centaines de galaxies.
Les premiers résultats du sondage profond. Cette image, d'une taille de 3 degrés carrés, est l'image la plus complète jamais réalisée en rayons X pour une aussi vaste région de l'Univers. Elle est constituée d'une mosaïque de différentes observations des télescopes du satellite XMM (visibles par leur forme circulaire). Les couleurs traduisent l'énergie croissante des rayons X (du rouge vers le bleu). L'intensité n'est pas corrigée des différents temps de pose. Un grande nombre de sources est visible dont une fraction importante d'amas de galaxies et de noyaux de galaxies lointains.(Crédits XMM-LSS)
Pour étudier les images du sondage profond, les astronomes doivent utiliser une méthode longue et complexe. Les amas de galaxies distants et les noyaux actifs de galaxies (AGN) apparaissent respectivement comme des sources étendues et ponctuelles dans les images obtenues par le satellite XMM. La morphologie des sources X est tout d'abord caractérisée très précisément de façon automatique par une analyse mathématique dite "en ondelette multi-echelle" développée au SAp. Des images en lumière visible, correspondant très exactement au régions du ciel explorées par XMM, sont ensuite obtenues grâce à une caméra grand champ CFH12K au Télescope Canada-France-Hawaii (CFH). Les positions des candidats "amas de galaxies" sont ensuite comparées avec ces images multi-couleur profondes obtenues en lumière visible dans le but d'identifier des groupement de galaxies possédant des couleurs rouges caractéristiques des objets lointains. Le fait d'utiliser une méthode de détection des amas de galaxies fondée d'abord sur l'émission en rayons X permet d'éviter les effets de projection et de confusion de sources qui habituellement affectent les méthodes basées uniquement sur des données en lumière visible.
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Image en lumière visible (en 3 couleurs) avec en superposition l'intensité de l'émission en rayons X d'une source étendue telle que détectée par XMM (contours en vert), à un décalage vers le rouge de ~ 1. Les carres violets (vers le centre de l'image) indiquent les galaxies dont les décalages vers le rouge ont été mesurés par spectroscopie au Very Large Telescope. (Clichés CFH12K/XMM)(cliquer pour agrandir) |
Image en lumière visible et les contours XMM (source étendue) superposés (en bleu) d'un amas de galaxies dont le décalage vers le rouge moyen est à z = 0.84. Les carres violets indiquent les galaxies membres de l'amas, dont le décalage vers le rouge a été mesuré par spectroscopie au VLT. Seize galaxies membres ont permis d'estimer la dispersion de vitesse de l'amas à 750 km/s (Clichés CFH12K/XMM)(cliquer pour agrandir) |
La troisième étape essentielle de la stratégie du sondage XMM-LSS est l'utilisation des moyens spectroscopiques de toute nouvelle génération, en utilisant en particulier les télescopes géants du réseau du "Very Large Telescope" (VLT) de l'observatoire européen austral (ESO) au Chili, pour déterminer en un temps record le décalage vers le rouge (et donc la distance des galaxies et amas) et obtenir ainsi, une carte à trois dimensions de l'Univers distant.
En octobre 2002, les premières observations spectroscopiques d'un échantillon de candidats "amas distants" ont ainsi été réalisés avec l'instrument FORS2 au foyer du télescope VLT4. En trois nuits, un échantillon de cinq amas a été observé dont les décalage vers le rouge sont compris entre 0.6
Les résultats préliminaires montrent que l'abondance des amas trouvés par XMM est en accord avec les prédictions du modèle d'Univers dit "Lambda-CDM" pour la formation des structures, étant donné la sensibilité (2) adoptée par le sondage XMM-LSS. Ce modèle d'Univers postule l'existence d'une grande quantité de matière sombre et la présence d'une énergie "répulsive" accélérant l'expansion de l'Univers.
Nous pouvons donc prévoir qu'une fois terminé, le sondage XMM-LSS aura identifié quelque 600 amas avec des décalages vers le rouge entre 0.5 A partir de 2003 l'identification en lumière visible des amas XMM se fera avec les données du CFHTLS, obtenues avec MegaCam, la camera grand champ la plus grande du monde, construite au DAPNIA
Article: "The XMM Large Scale Structure Survey: Scientific Motivation and First Observations"
Proceedings of the Conference "New Visions of the X-ray Universe in the XMM-Newton and Chandra Era"
Auteurs: M. Pierre, I. Valtchanov, A. Refregier, (astro-ph/0202117)
(1) Le décalage vers le rouge (z) de la lumière est dû à l'expansion de l'Univers. Il est une mesure indirecte de la distance. Dans le modèle d'Univers souvent considéré aujourd'hui (Ho= 65 km/s/Mpc, Omega(m)=0,3, Omega(lambda)=0,7), l'âge de l'Univers est estimé à 14,5 milliards d'années et un décalage vers le rouge de 1 correspond à une distance de 8,3 milliards d'années-lumière. A cause de la vitesse finie de la lumière, la lumière qui nous parvient aujourd'hui d'un amas de galaxies à un décalage vers le rouge de 1 est donc en réalité émise lorsque l'Univers avait seulement (14,5-8,3)= 6,2 milliards d'années d'existence.
(2) La sensibilité du sondage (plus faible intensité détectable) est d'environ 5e-15 erg/s/cm2 dans la bande de d'énergie 0.5 à 2 keV. Elle est obtenue par des pointages du satellite XMM d'une durée d'environ 3 heures sur chaque position.
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