Pour la première fois depuis le lancement de XMM (1999), une analyse cosmologique contraignant la densité de matière dans l’univers, à partir d’un catalogue de 178 amas de galaxies détectés par XMM, a été possible et de manière autonome, c’est-à-dire avec ses propres mesures de distance et sans faire appel à des informations complémentaires issues de simulations numériques ou d’autres échantillons d’amas. Cette analyse a été menée dans le cadre du consortium XXL, principalement par Christian Garrel lors de sa thèse au Département d’Astrophysique (DAP) du CEA Paris-Saclay (voir l’article sur arXiv). Les résultats confirment le modèle cosmologique standard de manière totalement indépendante, avec une précision rivalisant avec d’autres sondes couvrant des portions de ciel bien plus importantes. La tension « cosmologique » existante entre les analyses cosmologiques des amas et le CMB PLANCK est ainsi levée ; il n’est plus nécessaire d’utiliser des neutrinos massifs.
Cette analyse cosmologique à partir des amas a été possible grâce à la nouvelle méthode ASpiX, développée au DAP, qui permet de modéliser correctement les amas lointains. Dans l’Univers lointain, on ne détecte que des amas massifs, donc bleus, qui apparaissent en rouge à cause de l’expansion de l’Univers. Mathématiquement, le logiciel analyse toutes les combinaisons possibles de l’effet de la cosmologie sur les propriétés des amas.
L’analyse cosmologique exploitant toutes les observations du programme XXL est en cours et inclura environ 300 amas. La nouveauté est qu’elle combinera la méthode ASpiX avec des techniques d’intelligence artificielle qui permettent d’identifier très rapidement le modèle cosmologique qui reflète le mieux les propriétés observées de la population d’amas.
Crédits Projet XXL – S. Snowden, L. Faccioli, L. Pacaud
Analyse cosmologique des amas de galaxies
Les amas de galaxies sont les entités les plus massives de l’univers. Leur formation résulte de la compétition entre deux processus opposés opérant à long terme : d’un côté, il y a la gravité, la force dominante à grande échelle qui oblige la matière à s’assembler. D’autre part, il y a l’expansion de l’univers qui s’oppose à cet effet.
Il en résulte un étonnant réseau tridimensionnel de filaments et de feuillets délimitant d’immenses vides cosmiques ; les amas de galaxies se trouvent à l’intersection des filaments (cf. figure).
L’étude statistique des propriétés des amas en fonction de l’âge de l’univers permet d’obtenir des informations précieuses sur certains paramètres cosmologiques tels que la densité de matière et la nature de l’expansion.
Dans l’hypothèse où l’univers est plus ou moins dense, ou l’expansion plus ou moins accélérée, les amas se formeront plus ou moins rapidement. En ce sens, les amas sont des sondes cosmologiques complémentaires du fond diffus cosmologique, des supernovae, de la distribution des galaxies ou du cisaillement gravitationnel.
Programme d’observation XMM-Newton XXL
Dans ce contexte, l’étude XXL a couvert deux champs de 50 deg2 sur le ciel (200 fois la surface de la lune) avec l’observatoire spatial XMM-Newton (voir ce précédent article), une mission dans laquelle le Département d’Astrophysique du CEA Paris-Saclay s’est fortement impliqué. Avec environ 80 jours d’observation, XXL est le plus grand projet XMM-Newton à ce jour. Son objectif principal est de mener des études cosmologiques à partir d’amas de galaxies détectés dans les rayons X, grâce à une procédure d’identification méticuleuse.
Les observations de XMM-XXL, combinées à une couverture multi-longueur d’onde exceptionnelle en collaboration avec les plus grands observatoires, ont permis de déduire les propriétés statistiques d’un sous-échantillon de 178 amas. Ces informations permettent d’établir les relations entre différents paramètres observables des amas (tels que le flux de rayons X ou la température) et leur masse. La collecte et le traitement de ces données nécessitent un travail minutieux et long, car les objets détectés sont pour la plupart lointains et donc très faibles.
Pour la première fois, il est possible d’obtenir des contraintes cosmologiques à partir d’un échantillon d’amas détectés par XMM, et ce de manière autonome (sans informations supplémentaires provenant de simulations numériques ou d’autres échantillons d’amas). La mesure des distances entre amas a fait l’objet de nombreuses campagnes d’observations spectroscopiques au sol.
ASpiX analyse l’interdépendance du flux X (combinaison de la luminosité et de la distance) et de la couleur X (combinaison de la température et de la distance) de la population d’amas en fonction du décalage vers le rouge. Suivant la relativité générale, on a ces trois effets cosmologiques sur les amas :
- Plus un amas est éloigné, plus sa couleur X est décalée vers le rouge et plus son flux est faible.
- Mais plus les amas sont faibles, moins ils sont détectables : dans l’univers lointain, on ne détecte que des amas massifs, donc bleus.
- Donc plus les amas sont bleus, plus ils sont éloignés, plus ils nous apparaissent rouges…
Mathématiquement, le logiciel analyse toutes les combinaisons possibles de l’effet de la cosmologie sur les propriétés des amas. Il prend beaucoup de temps, environ plusieurs semaines au Centre de Calcul de l’IN2P3. Au final, les résultats confirment le modèle cosmologique standard de manière totalement indépendante, atteignant une précision rivalisant avec d’autres sondes couvrant des portions de ciel bien plus importantes (Fig. ci-contre).
L’article XXL XLVI présente les résultats de cette analyse cosmologique. Elle a été principalement menée par Christian Garrel, lors de sa thèse au Département d’Astrophysique.
Cet article publié avec 21 nouveaux articles [1] clôt la série III des publications du projet XMM-XXL. Les autres articles de la série étudient les propriétés des amas et AGN détectés par XXL (environ 100 fois plus nombreux que les amas !) et rapportent une profusion de nouveaux résultats, en particulier pour des sous-échantillons très lointains.
Au total, 57 articles dont 7 en collaboration avec le consortium HSC (imageur grand champ du télescope Subaru à Hawaï) ont été publiés depuis le début du projet XXL.
A suivre…
La prochaine et dernière série XXL calculera une nouvelle analyse des 690 observations XMM-Newton par tuiles de 1x1deg2, en exploitant la profondeur maximale de l’étude.
L’analyse cosmologique finale inclura environ 300 amas et combinera la méthode ASpiX avec des techniques d’intelligence artificielle.
Irfu contact : Marguerite PIERRE
[1]La majorité des auteurs sont européens, les autres sont canadiens, japonais, taïwanais, chiliens, américains et australiens. En France, le LAM, l’Observatoire de Nice et l’IRAP [LMO1] sont associés au projet. Douze articles ont pour premier auteur un doctorant, cinq un post-doc, cinq un astronome senior. Liste des articles disponibles sur http://irfu.cea.fr/xxl
Projet financé par le CNES et le PNCG
XMM-Newton est une mission de l’ESA. Le CNES a participé au financement du satellite et contribue au traitement des données, en soutenant les laboratoires français responsables de ces activités.
Point fort précédent :
2015: Une étude des rayons X aux dimensions XXL
2018: Tracer l’Univers : un nouveau relevé de rayons X apporte un nouvel éclairage