25 octobre 2022
20 ans après …Analyse cosmologique d’amas de galaxies détectés par XMM-Newton
20 ans après …Analyse cosmologique d’amas de galaxies détectés par XMM-Newton

Région du ciel du sondage XXL dans la partie sud (XXL-S) explorée par le satellite XMM-Newtion. D'une surface de 25 deg2, cette région a été couverte par 220 observations différentes du satellite dont le champ de vue est d'environ 0,5 degré (équivalent au diamètre de la pleine lune). Près de deux cents amas de galaxies ont été détectés (cercles rouges) ainsi que plus de 12 000 noyaux actifs de galaxies (AGN), visibles comme des sources ponctuelles.
Crédits Projet XXL - S. Snowden, L. Faccioli, L. Pacaud

Pour la première fois depuis le lancement 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 façon autonome, cad avec ses propres mesures de distance et sans faire appel à des informations supplémentaires tirées de simulations numériques ou d’autres échantillons d’amas. Cette analyse a été conduite dans le cadre du consortium XXL, principalement par Christian Garrel durant sa thèse au Département d’Astrophysique (voir article sur arXiv). Les résultats confirment le modèle cosmologique standard de manière totalement indépendante, avec une précision qui rivalise avec celle d’autres sondes couvrant des portions de ciel beaucoup plus étendues. La tension « cosmologique » existante entre les analyses cosmologiques des amas et du CMB PLANCK est donc levée et point n’est besoin de faire appel à des neutrinos massifs.

Cette  analyse cosmologique à partir d’amas a été possible grâce à une nouvelle méthode, ASpiX, développée au DAP permettant de modéliser proprement les amas distants sujets au paradoxe suivant :  dans l’univers lointain, on ne détecte que les amas massifs, donc bleus, mais qui apparaissent rouges 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 obvervations du programme XXL continue et inclura au final environ 300 amas. La nouveauté est qu’elle combinera la méthode ASpiX à des techniques d’intelligence artificielle qui permettront d’identifier très rapidement le modele cosmologique qui rend le mieux compte des propriétés observées de la population d’amas.

 

 

Analyse cosmologique avec 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 contraires qui opèrent dans la durée :

  • la gravité, force dominante aux grandes échelles qui contraint la matière à s’assembler,
  • et l’expansion de l’univers qui s’oppose à cet effet.

Cela donne naissance à un étonnant réseau tridimensionnel de filaments et feuillets délimitant d’immenses vides cosmiques ; les amas de galaxies se trouvent à l’intersection des filaments (fig ci-contre).

L’étude statistique des propriétés des amas en fonction de l’âge de l’univers nous permet donc d’obtenir de précieuses informations sur certains paramètres cosmologiques comme 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 au fond diffus cosmologique, aux supernovæ, à la distribution des galaxies ou au cisaillement gravitationnel.

 
20 ans après …Analyse cosmologique d’amas de galaxies détectés par XMM-Newton

Simulation numérique montrant l’évolution de la structure de l’univers, à trois époques différentes ; les amas de galaxies se trouvent à l’intersection des filaments et se forment par accrétion sous les actions combinées et contraires de la gravité et de l’expansion cosmologique. Plus le temps passe, plus les amas grossissent (à gauche : z=0.99, l’univers était âgé de 6.9 milliards d’années = objets les plus distants de l’analyse cosmologique XXL ; à droite : z=0, actuellement).
La taille du cube est 43 Mpc, soit 140 millions d’années-lumière. Deux gros amas de galaxies sont indiqués par les cercles rouges.
(http://cosmicweb.uchicago.edu/filaments.html)

Programme d’observation XXL de XMM-Newton

Dans ce contexte, le relevé XXL a couvert deux champs de 50 deg2 sur le ciel (200 fois la surface de la lune) avec l’observatoire spatial XMM-Newton (cf communiqué de presse 2015), une mission dans laquelle le Département d’Astrophysique a été largement impliqué. Avec ses quelque 6.9 Ms (80 jours) de temps d’observation, XXL est le plus gros projet XMM-Newton à ce jour. Son but principal est de conduire des études cosmologiques à partir des amas de galaxies détectés en rayons X, grâce à une minutieuse procédure d’identification.

Les observations XMM-XXL, combinées à une exceptionnelle couverture multilongueur d’onde en collaboration avec les plus grands observatoires, ont permis d’inférer les propriétés statistiques d’un sous-échantillon de 178 amas. Ces informations permettent d’établir les relations entre différents paramètres observables des amas (comme le flux X ou la température) et leur masse. La collecte et la mise en forme de ces données demande un travail minutieux et de longue haleine, car les objets détectés sont en majorité distants donc très faibles.

 

Ainsi, pour la première fois depuis le lancement d’XMM-Newton (1999), il est possible d’obtenir des contraintes cosmologiques à partir d’un échantillon d’amas détectés par XMM, et ce de manière auto-suffisante (sans informations supplémentaires tirées de simulations numériques ou d’autres échantillons d’amas). La mesure des distances des amas a fait l'objet de nombreuses campagnes d'observations spectroscopiques au sol.
Autre nouveauté, la méthode d’analyse cosmologique ASpiX développée au DAP (Clerc et al 2012, Pierre et al 2017). ASpiX analyse l’interdépendance des flux X (combinaison entre luminosité et distance) et couleurs X (combinaison entre température et distance) de la population des amas en fonction du redshift. Il est alors possible de décoder la cosmologie en résolvant habilement le paradoxe suivant, dans le cadre de la Relativité Générale :

  • Plus un amas est loin, plus sa couleur X est décalée vers le rouge et plus son flux est faible.
  • Or plus les amas sont faibles, moins ils sont détectables : dans l’univers lointain, on ne détecte que les amas massifs, donc bleus.
  • Donc plus les amas sont bleus, plus ils nous apparaissent rouges . . .
 
20 ans après …Analyse cosmologique d’amas de galaxies détectés par XMM-Newton

Contraintes sur les paramètres cosmologiques Ωm (densité de matière) et σ8 (normalisation du spectre des fluctuations initiales de densité) obtenues dans l’article XLVI (contours bleus). Les résultats sont comparés à l’étude XXL précédente (Pacaud et al 2018, contours gris) basée uniquement sur la distribution en redshift des mêmes amas ; aux contraintes par le fond diffus cosmologique sur tout le ciel (contours rouges) ; à celles provenant d’une étude de cisaillement gravitationnel sur 450 deg2 (contours verts) ; à celle obtenue par les amas détectés par effet Sunyaev-Zel’dovich par Planck (contours noirs), (environ 3 fois plus d’amas qu’XXL et utilisation d’observations d’amas externes à l’échantillon et de simulations numériques).
On observe que les résultats XXL sont tout à fait compétitifs et ne présentent pas de dissension avec le CMB Planck, comme ce fut le cas avec les amas Planck.

Mathématiquement, le logiciel analyse toutes les combinaisons possibles de l’effet de la cosmologie sur les propriétés des amas. Les calculs ont nécessité plusieurs semaines au Centre de Calcul de l’IN2P3. Les résultats confirment le modèle cosmologique standard de manière totalement indépendante, avec une précision qui rivalise avec celle d’autres sondes couvrant des portions de ciel beaucoup plus étendues (Fig. ci-contre).

L’article XXL XLVI présente les résultats de cette analyse cosmologique. Elle a été conduite principalement par Christian Garrel, durant sa thèse au Département d’Astrophysique.

Cet article publié avec 21 nouveaux articles [1] referme la série III des publications du projet XMM-XXL. Les autres articles de la série étudient les propriétés des amas et des AGN détectés par XXL (environ 100 fois plus nombreux que les amas !) et font état d’une profusion de nouveaux résultats, en particulier pour des sous-échantillons très distants.

En tout, 57 articles dont 7 en collaboration avec le consortium HSC (imageur grand champ du télescope Subaru à Hawaii) ont été publiés depuis le début du projet XXL.

 

La suite….

La prochaine et dernière série XXL présentera un nouveau traitement des 690 observations XMM-Newton sous forme de ‘tuiles’ de 1x1deg2, exploitant la profondeur maximale du relevé.

L’analyse cosmologique finale inclura environ 300 amas et combinera la méthode ASpiX à des techniques d’intelligence artificielle.

Contact Irfu : Marguerite PIERRE


[1] La majorité des auteurs est européenne ; les autres sont au Canada, Japon, Taiwan, Chili, US, Australie. En France, le LAM, l’Observatoire de Nice et l’IRAP [LMO1] sont associés au projet. Douze articles ont un doctorant comme premier auteur, cinq un post-doc, cinq un astronome senior. Liste des articles disponible 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 contribué au financement du satellite et contribue au traitement des données, en soutenant les laboratoires français responsable de ces activités.

https://xmm-newton.cnes.fr/

Actualités DAP précédentes :

2015: Un sondage de l'univers en dimensions XXL

2018: Dessiner l'univers: les rayons X apportent une nouvelle lumière

 
#5067 - Màj : 15/11/2022

 

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