Une équipe internationale à laquelle ont participé des chercheurs du Service d'Astrophysique-AIM et du Service de Physique des Particules du CEA-Irfu vient de découvrir grâce au satellite Planck des amas de galaxies aux caractéristiques inconnues jusque là. Les amas qui regroupent jusqu'à un millier de galaxies sont les plus grandes structres de l'univers. Souvent situés à de très grandes distances, ils sont encore relativement mal connus. Les astrophysiciens ont pu détecter les nouveaux amas grâce à l'empreinte laissée dans le rayonnement de fond de l'univers par le gaz chaud des amas. Sur les 189 amas détectés par Planck à des distances variant entre 1 à 5 milliards d'années-lumière, 20 étaient inconnus jusqu'alors. Grâce à un programme conjoint avec le satellite XMM-Newton à rayons X, une partie de ces nouveaux amas a pu être observée, révélant une plus faible luminosité et une distribution du gaz très perturbée. Il s'agirait donc d'amas avec des caractéristiques différentes.
Ces résultats ont été présentés lors d'un colloque scientifique sur les résultats du satellite Planck qui s'est tenu du 10 au 14 janvier 2011 à Paris et sont publiés dans un numero spécial de la revue Astronomy & Astrophysics.
Le rayonnement micro-onde du ciel
Le satellite Planck a été lancé le 14 mai 2009 et placé dans l'espace à 1,5 millions de kilomètres de la Terre, au point de Lagrange L2, pour établir une carte complète du ciel dans le domaine du rayonnement micro-onde, entre l'infrarouge et les ondes radio. Le but principal du satellite est de contruire la carte la plus précise jamais obtenue du rayonnement de fond de l'univers, sur lequel sont restés imprimées des petites inhomogéneites qui ont plus tard donné naissance aux galaxies et amas de galaxies. Ce rayonnement de fond qui constitue la "première lumière" émise dans l'univers devrait livrer des éléments essentiels sur l'histoire de l'univers. Ces résultats complets ne sont attendus que pour le début de l'année 2013.
Car auparavant, les scientifiques doivent soigneusement retirer de la carte établie par Planck toutes les perturbations dues aux autres objets de l'univers. Ces objets sont tout aussi bien les nuages sombres, les électrons, les poussières de notre galaxie et les galaxies lointaines qui émettent eux aussi du rayonnement mico-onde que les amas de galaxies qui modifient la température du fond diffus. Un catalogue de plus de 15 000 sources a déjà pu être établi sur l'ensemble du ciel et vient d'être publié.
En haut : la carte du ciel en rayonnement micro-onde mesurée par le satellite Planck en projection galactique (le plan de notre galaxie est la ligne médiane horizontale). L'émission diffuse est en grande partie associée avec notre galaxie et masque les sources plus lointaines. En bas, la carte des amas découverts par Planck. En bleu, les amas déjà connus, en vert les amas confirmés par les observations du satellite XMM-Newton, en rouge les candidats-amas non encore confirmés. Crédits ESA/Planck
Ombre sur le ciel
Parmi ces sources, les plus massives sont les amas de galaxies, ces gigantesques regoupements de centaines de galaxies. Dans le rayonnement de fond de l'univers, ils sont vus en quelque sorte "en transparence", projetant une ombre sur le ciel. Ces amas contiennent en effet une grande quantité de gaz très chaud, à plusieurs millions de degrés. Lorsque la lumière passe à travers ce gaz, elle entre en collision avec les électrons et leur emprunte une partie de leur énergie. L'augmentation de l'énergie de la lumière se traduit alors par un changement de sa longueur d'onde, un "décalage vers le bleu". Cet effet est baptisé effet "Sunyaev-Zeldovich" (ou effet SZ) du nom de deux astrophysiciens soviétiques qui en avaient été prédit l'existence dès les années 1970. A l'emplacement d'un amas figure alors un "trou" dans le rayonnement de fond de l'univers alors qu'à une énergie un peu plus élevée se trouve un point brillant car la lumière a été décalée. Cette double manifestation est la preuve indiscutable d'un amas.
En observant l'ensemble du ciel micro-onde avec une résolution jusqu'ici inégalée, Planck est donc la meilleure machine à detecter les amas de galaxies, même les plus rares.
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L'effet dit "Sunyaev-Zeldovich" du gaz chaud d'un amas sur le fond diffus micro-onde. La lumière subit un effet de "décalage vers le bleu": elle est atténuée à une fréquence et renforcée à une fréquence plus élevée. Selon la fréquence, l'amas apparait donc comme un "trou" dans le rayonnement de fond de l'univers ou comme un point brillant à fréquence plus élevée. Cette méthode permet de détecter avec efficacité les amas de galaxies avec le satellite Planck. Crédit: ESA/Planck. (si la vidéo n'apparait pas, cliquer ici). |
Amas et super-amas inconnus
Les indices de l'effet SZ ont été recherchés systématiquement dans les données de Planck par une large collaboration menée par Nabila Aghanim de l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay et ont conduit à l'identification de 189 candidats-amas [1]. Parmi ceux-ci, 169 étaient déjà connues, en majorité par leur forte émission de rayons X provenant du gaz très chaud des amas mais 20 étaient totalement inconnus. Pour prouver qu'il s'agissait bien d'amas, les scientifiques ont utilisé le satellite européen XMM-Newton recherchant à leur emplacement une émission de rayons X passée inapercue jusque là. Cette étude, coordonnée par Monique Arnaud du Service d'Astrophysique-AIM du CEA-Irfu, a déjà pu confirmer que 11 étaient bien des amas [2], les 9 autres étant encore en cours d'étude pour confirmation.
Découverte d'un super-amas constitué de 3 amas de galaxies. A gauche, la carte du satellite Planck montre un fort excès de lumière micro-onde dont la position est marquée par une croix, pouvant provenir d'un amas. A droite, la carte établie par le satellite XMM-Newton en rayons X permet de distinguer clairement 3 sources A, B et C (montrées par des cercles) correspondant chacune à un amas. Les contours de l'emission X et les positions sont aussi reportées sur la carte Planck. Crédit ESA/Planck
Parmi ces nouvelles découvertes, l'étonnante détection de super-amas, des amas d'amas de galaxies, la plus grande structure connue dans l'univers. Au moins deux de ces super-amas ont été identifiés, chacun regroupant au moins 3 amas de galaxies, situés respectivement à une distance de 3,5 et 4,6 milliards d'années-lumière (selon les paramètres cosmologiques actuels), avec des masses jusqu'à un million de milliards de fois la masse du Soleil !
Les propriétés des nouveaux amas découverts par Planck dans le rayonnement micro-onde semblent assez différent de ceux détectés jusqu'içi par le rayonnement X. "La plupart des nouveaux amas de Planck sont très massifs mais avec une faible émision en rayons X et une morphologie très perturbée qui souligne qu'ils sont structurés de façon très différente des amas déjà connus" indique Monique Arnaud qui ajoute "la matière semble répartie de façon moins centrale avec une densité moins piquée vers le centre de l'amas".
Il se pourrait donc que Planck accède à des grands groupements de galaxies formés ou ayant évolués différemment. La formation exacte de ces grandes structures est encore assez discutée. Amas et super-amas semblent se former à l'intersection de filaments au sein de la structure "en bulles" prédite notamment par les simulations numériques, mais d'autres mécanismes pourraient aussi être à l'oeuvre.
Une étude complète du ciel
Les données de Planck qui couvrent l'ensemble du ciel ont également permis de comparer les propriétés des amas déduites du fond diffus avec celles déduites des observations en rayons X. Pour cela les chercheurs du CEA-Irfu ont tout d'abord consituté le plus grand catalogue d'amas jamais réalisé. Rocco Pifaretti du Service de Physique des Particules du CEA-Irfu, qui a coordonné cette étude, souligne : "Le catalogue a été baptisé "Meta-catalogue des amas à rayons X" [4], car il contient exactement 1743 amas ce qui représente la quasi-totalité des amas connus". Ces amas ont ensuite été recherchés par leur effet sur le fond diffus. "Nous avons trouvé un remarquable accord, sur une très large gamme de luminosité pour les amas" commente Jean-Baptiste Melin du Service de Physique des Particules du CEA-Irfu, "nous mesurons bien avec l'effet SZ la même quantité de gaz que celle déduite par la mesure du gaz chaud". Une étude complémentaire combinant les meilleures mesures Planck et des données d'archive de XMM arrive a la meme conclusion [5]. Ceci met définitivement fin à une pseudo-énigme, celle d'un "gaz chaud manquant", car jusqu'ici, certaines différences avaient été notées laissant penser qu'une partie du gaz manquait à l'appel dans les amas [3].
Ces données, basées sur seulement dix mois d'observations, illustre la puissance de Planck pour l'étude des amas. Trop peu d'amas étaient connus jusqu'içi pour bien comprendre la morphologie et la formation de ces super-strucures de l'univers. Grâce à l'effet SZ, le satellite Planck, devenu une véritable "machine à amas", pourra sans doute apporter de nouvelles et précieuses informations. Le prolongement envisagé du satellite, au moins jusqu'à fin 2011, soit jusqu'à six mois au-delà de la limite initialement prévue, laisse des espoirs supplémentaires et un nouveau catalogue de sources, beaucoup plus complet, devrait être produit d'ici fin 2012.
Contact : , , ,
[1] « Planck Early Results: The all-sky early Sunyaev-Zeldovich cluster sample »
Planck Collaboration
soumis à Astronomy & Astrophysics (2011), pour une version electronique 
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[2] « Planck early results: XMM-Newton follow-up for validation of Planck cluster candidates »
Planck Collaboration
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[3] « Planck early results : Statistical analysis of S-Z scaling relations for X-ray galaxy clusters »
Planck Collaboration
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[5] « Planck early results : Calibration of the local galaxy cluster Sunyaev-Zeldovich scaling relations »
Planck Collaboration
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[4] « The MCXC: a Meta-Catalogue of X-ray detected Clusters of galaxies »
R. Piffaretti (1), M. Arnaud (1), G.W. Pratt (1), E. Pointecouteau (2), J.-B. Melin (3)
(1) Service d'Astrophysique CEA-Saclay (2) CESR, France, (3) Service de Physique des Particules CEA-Saclay
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voir : - "Le communiqué de presse CNES-CEA-CNRS" (12 janvier 2011)
: - "Le communiqué de presse de l'Agence Spatiale Européenne" (11 janvier 2011)
voir aussi : - "Découverte d’un superamas grâce au rayonnement fossile" (16 septembre 2010)
- "Le satellite européen Planck achève son premier tour de ciel " (24 mars 2010)
Redaction: J.M. Bonnet-Bidaud
• Structure et évolution de l'Univers › Evolution des grandes structures et des galaxies
• Le Département d'Astrophysique (DAp) // UMR AIM • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
• Cosmologie et Evolution des Galaxies
• Planck • XMM-Newton • XMM/EPIC
