Contacter l'auteur / Contact the author

Recherche dans ce site / Search in this site

 

La structure de l'Univers

La première représentation en coordonnées sphériques centrées sur la Voie Lactée du Superamas Local comprenant 1100 galaxies proches réalisée en 1989 dans le cadre du CfA Redshift Survey 1985-1995. Documents Valerie de Lapparent, Margaret Geller et John Huchra/CfA.

Résultats des sondages CfA, SDSS et 2MASS (II)

A partir de 1985, les astronomes ont eu l'idée de créer des cartes tridimensionnelles de l'Univers afin de mieux comprendre l'organisation de l'Univers à grande échelle.

Les astronomes ont mesuré les distances relatives d'environ 18000 galaxies proches comptant parmi les plus brillantes de l'hémisphère Nord. Après dépouillement et analyse des relevés, John Huchra, Margaret Geller et l'étudiante Valerie de Lapparent du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian purent dresser une carte du ciel montrant pour la première fois la distribution des galaxies.

En calculant les redshifts au moyen d'une "z-machine", Huchra et son équipe ont pu déterminer la vitesse radiale de chaque galaxie et transposèrent leur position dans un système de coordonnées sphériques centré sur la Voie Lactée. Cette vue a permis de présenter les premières "tranches d'univers".

En pointant ces galaxies sur une carte tridimensionnelle, l'oeil intégra de suite la succession des points pour imaginer une sorte de structure tentaculaire de tendance "impressionniste". Que découvre-t-on ?

On constate que dans un rayon de 300 millions d'années-lumière, les superamas occupent des régions limitées de l’espace, laissant autour d'eux d'énormes champs vides exempts de toute matière. Les galaxies occupent en général 5 % du volume échantillonné. A l'échelle du milliard d'années-lumière, la distribution des galaxies devient gaussienne, aléatoire, mais reste perturbée par des structures aplaties ou filiformes.

Si on analyse certains détails de cette carte, on découvre que les amas s’alignent sur plus de 300 millions d’années-lumière, tels de fines chaînes que l'on aurait lancé dans l'espace; autour de noeuds épaissit par d'innombrables galaxies, des amas s'enchaînent et ondulent vers d'autres régions denses.

La première représentation en coordonnées sphériques centrées sur la Voie Lactée est présentée ci-dessous à gauche. Réalisée en 1989 dans le cadre du CfA Redshift Survey 1985-1995, elle est basée sur les observations spectroscopiques de 1100 galaxies (1989) qui furent étendues à 18000 galaxies (1995) réparties dans une bande large de 6° et longue de 130° à travers le ciel boréal, représentant un volume de 600x250x30 millions d'années-lumière.

Les axes sont respectivement la coordonnée radiale (z) exprimée en km/s et la coordonnée angulaire (l'équateur céleste) représentant la longitude. La mesure du redshift est basée sur une valeur de la constante de Hubble de 75 km/s/Mpc.

Le superamas ou Concentration de Shapley

En 1932, Harlow Shapley découvrit dans la constellation du Centaure une concentration de galaxies qu'il estima à l'époque à plus de 8000 membres. Il faudra cependant attendre 1989 pour que l'astronome indien Somak Raychaudhury de l'IUCAA (qu'on retrouvera plus tard à propos du superamas de Saraswati) parvint à dénombrer précisément cette "Concentration de Shapley" (acronyme SC) durant son projet de recherche pour l'obtention de son diplôme PhD à l'Université de Cambridge et c'est suite à son travail qu'on découvrit le premier superamas de galaxies.

A gauche, le superamas ou Concentration de Shapley cartographié en rayons X et superposé à une image visible dans le cadre de la mission du satellite micro-onde Planck. A droite, localisation du superamas des Voiles (Vela, VSC) se projetant en perspective près du plan de la Voie Lactée. Les couleurs indiquent les distances allant de 500 millions (vert) à 800 millions (jaune) et 1 milliard d'années-lumière (rouge). "SC" indique la Concentration de Shapley beaucoup plus étendue et "GA" est le “Grand Attracteur". On distingue également les Nuages de Magellan (LMC et SMC) au sud du plan de la Voie Lactée. Documents ESA/Collaboration Planck/DSS et Thomas Jarrett/UCT.

La Concentration de Shapley présentée ci-dessus à gauche dans les rayons visibles et X chauds est en effet un superamas comprenant environ 76000 galaxies plus brillantes que la magnitude 18. Il comprend notamment le superamas du Centaure (et l'amas du Centaure) ainsi que 2000 amas massifs de galaxies émettant fortement en rayons X. Il se situe à 650 millions d'années-lumière (Z~0.046), à cheval sur les constellations du Centaure et de l'Hydre, juste à côté du "trou du Bouvier". Il s'étend sur environ 120 millions d'années-lumière. C'est l'une des structures les plus vastes de l'Univers et la plus massive à moins d'un milliard d'années-lumière.

Le superamas des Voiles (Vela), alias VSC

Le superamas des Voiles ou Vela (acronyme VSC) est situé à environ 800 millions d'années-lumière. Il fut découverte en 2016 par une équipe internationale d'astronomes dirigée par Renée C.Kraan-Korteweg de l'Université de Cap Town en Afrique du Sud. Les chercheurs ont identifé VSC après avoir réalisé des analyses spectrographiques de milliers de galaxies partiellement obscures enregistrées en 2012 par le télescope SALT (Southern African Large Telescope) et un peu plus tard par le télescope AAT anglo-australien.

Ce superamas était passé inaperçu jusqu'à cette date car comme on le voit sur la carte présentée ci-dessus à droite, il est caché derrière la Voie Lactée et ressemblait sur les cartes à un trou vide de galaxies ("Zone of Avoidance" ou ZOA).

Les études suggèrent que VSC est peut-être aussi massif que le superamas de Shapley. Le Groupe Local et donc la Voie Lactée se dirige vers lui à la vitesse de 50 km/s.

Le Grand Mur CfA2 ou Mur du Sculpteur

Ce qui frappa directement les astronomes, c'est la répartition inégale des galaxies. Mais la bonne nouvelle est que cette distribution en forme de tapisserie céleste ou "bulles de savon" est conforme au modèle cosmologique inflationnaire ΛCDM, ce qui encourage les astronomes à poursuivre leurs recherches dans cette voie.

Parmi les découvertes qui ont été faites en découpant ainsi l'univers en tranches, John Huchra[2] (1948-2010) et son équipe du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian ont mis en évidence une structure gigantesque traversant le ciel entre 8 h et 17 h d'ascension droite sur plus de 117° et 6° d'épaisseur animée d'une vitesse comprise entre 5000 et 10000 km/s qu'ils baptisèrent le "Grand Mur CfA2" (2 pour 2e campagne de scanning du ciel) ou "Grand Mur Austral" du fait qu'il existe une structure équivalenbte s'étendant dans l'hémisphère Nord. Ce "Mur du Sculpteur" forme une sorte d'immense réseau extragalactique à travers le ciel à la jonction duquel s'agglutinent les galaxies.

Le "Grand Mur CfA2" ou "Mur du Sculpteur" se situe à 200 millions d'années-lumière près du pôle Sud galactique. Il forme une surface essentiellement à deux dimensions, contenant des amas et des groupes compacts de galaxies dont 30000 grandes galaxies et 600000 galaxies naines, ainsi que quelques filaments et d'autres structures amorphes, principalement constituées de régions de faibles et fortes densités (cf. J.Huchra et al., ApJ 384, p404, 1992). L'amas de Coma représente l'une des parties denses et centrale de cette structure.

Les superamas de galaxies et les Grands Murs

A gauche, le "Grand Mur CfA2" apparaît dans toute son étendue ainsi que le Superamas Local dans sa partie gauche. A droite, des dizaines d'amas comprenant chacun des milliers de galaxies ont été reportés sur cette carte établie en 2003 sur laquelle on distingue clairement le "Grand Mur CfA2" à travers le secteur inférieur ainsi que le "Grand Mur Sloan" deux fois plus étendu dans la partie supérieure et plus éloigné. Documents Martha P. Haynes et J.R.Gott/M.Juric.

Pour les astronomes du Centre Harvard-Smithsonian, ces galaxies sont réparties à la surface d'une immense "bulle" d'environ 100 millions d'années-lumière de diamètre. Pour être précis, selon les derrières mesures ce "Grand Mur CfA2" s'étend dans un volume d'environ 326 x 228 millions d'a.l. épais de 26 millions d'a.l. D'autres filaments s'enchaînent sur plus d'un milliard d'années-lumière, des constellations de Persée jusque Pégase.

On découvrit en 2010 que le "Grand Mur CfA2"est entouré d'un halo d'énergie sombre absorbant fortement le rayonnement X.

Le Grand Mur Sloan

Depuis le début des années 2000, aidés par les progrès technologiques et notamment des caméras CCD plus performantes, des moyens plus importants ont été mis en oeuvre, notamment dans le cadre du programme "Sloan Digital Sky Survey" (SDSS) d'étude spectroscopique des objets du ciel profond (galaxies et quasars). L'outil central de cette étude est le télescope de 2.5 m de l'Observatoire Apache Point (APO) au Nouveau-Mexique.

La combination de plusieurs études similaires (CfA, CfA2, SSRS2, ORS, IRAS 1.2 Jy, LSC) a donné une vue exceptionnellement précise du Superamas Local, dans lequel les galaxies présentent des vitesses héliocentriques inférieures à 3000 km/s. On découvre ainsi qu'autour de son noyau l'amas de la Vierge occupe une place prépondérante.

Entre 2003 et 2011, grâce à des techniques optiques et infrarouges à 2 microns de longueur d'onde, de nouvelles cartes de l'univers à petite et grande échelle ont été réalisées, notamment le SDSS 3D, une représentation tridimensionnelle basée sur le survey du CfA et le 2MASS Survey du Caltech.

A consulter : Carte de l'univers en 2D (2005) - La plus grande carte du ciel en 3D (2006)

L'univers à grande échelle

Deux cartes des décalages Doppler, autrement dit des grandes structure de l'univers local. A gauche, la combinaison des six premiers surveys en 1998 mis en évidence la prédominance de l'amas de la Vierge (en rouge) dans le Supermas Local ou Supermas Virgo. A droite, la carte complète établie à 2 microns en 2011 dans le cadre du projet 2MASS révèle la structure filamentaire des superamas de galaxies proches. Documents Margaret Geller, John Huchra/CfA et Caltech/IPAC/NASA. D'autres cartes à grandes échelles sont également disponibles sur le serveur du NED.

C'est en analysant la carte du SDSS 3D que J.Richard.Gott III et son équipe découvrirent parmi les 440000 galaxies et 70000 quasars reportés sur la carte, le "Grand Mur Sloan", une structure plus éloignée et deux fois plus étendue que le Grand Mur CfA2 avec une longueur de 423 Mpc soit 1.38 milliards d'a.l. ! (cf. ApJ, Octobre 2003 et May 2005). Notons que Richard Gott est également l'auteur d'une étude sur l'espérance de vie d'une civilisation.

En 2005, la même équipe publia la première carte logarithmique de l'Univers (cf. J.R.Gott et al., ApJ, 624, p463, 2005). Ces différentes cartes sont présentées ci-dessous.

Puis en 2010, Maret Einasto et son équipe publièrent une étude faisant l'inventaire des amas riches du "Grand Mur Sloan", révélant que tous les amas qu'il regroupait contenaient des galaxies rouges brillantes dont un tiers étaient des spirales. Il comprend également des sous-structures probablement issues de fusions entre galaxies (les "mergers"). Leur étude complétée par des simulations a également montré qu'un halo de matière noire participerait à l'évolution de ces galaxies ayant fusionnées (les mergeurs), un indice de plus en faveur de la présence de cette matière inconnue à grande échelle.

Poursuivant leur cartographie, entre 2008 et 2014, les astrophysiciens réalisèrent le SDSS III. Entre-temps, grâce aux systèmes spectroscopiques BOSS, SEGUE-1 et SEGUE-2 et les données historiques, en décembre 2012 les astronomes terminèrent la carte 3D de l'Univers dans le cadre du programme SDSS DR9 (cf . ApJS, 203, p21, 2012).

Ce projet fut le résultat de la collaboration de 219 chercheurs internationaux. La base de données qu'ils ont établie reprend près d'un milliard d'objets (932 891 133 objets dont 1 457 002 de spectres de galaxies, 228 468 spectres de quasars et 668 054 spectres d'étoiles) qu'ils ont pu modéliser en 3D comme on le voit dans la vidéo ci-dessous.

A voir : Largest Sky Map Revealed, SDSS III DR9/BOSS/CfA

400000 galaxies en 3D jusqu'à 7 milliards d'années-lumière (animation réalisée en 2012)

A consulter : SDSS III SkyServer DR9 - Explore Tool

L'univers à grande échelle

Ci-dessus à gauche, le pointage tridimensionnel de 66976 galaxies parmi 205443 visibles jusqu'à 2 milliards d'années-lumière de l'hémisphère Nord. Ce document réalisé en 2003 par Max Tegmark, Michael Strauss et Michael Blanton dans le cadre du projet SDSS 3D est basé sur le survey du CfA de 1989 et permet aux astronomes de tracer les effets gravitationnels et ceux de la matière et l'énergie sombres. Les couleurs sont associées à la luminosité. On reconnaît également en rouge la structure du "Grand Mur CfA2" et en vert clair celle du "Grand Mur Sloan". La photographie est celle d'un amas de galaxies situé tout près de nous, dans la partie rouge de l'image. A droite de la photo, la carte complète élaborée en 2006. Elle reprend 440000 galaxies et 70000 quasars. A droite, la carte logarithmique de l'Univers réalisée par J.R Gott, M.Juric et al. en 2005.

Qu'observe-t-on sur ces cartes ? A l'échelle du milliard d'années-lumière, grosso-modo jusqu'au quasar 3C273 (2.4 milliards d'a.l.), comme le montre l'image 3D du SDSS et celle du 2MASS, la vue d'ensemble de ces centaines de milliers de galaxies et de quasars ressemble à une tapisserie sidérale, peut-être même localement périodique[5] selon certains. Les Grands Murs CfA et Sloan occupent une place importante à courte et moyenne distances (jusqu'à z=0.1).

Au-delà, à partir de z=0.5 soit environ 4 milliards d'années-lumière la distribution des galaxies et des quasars devient uniforme, ce qui est conforme au principe cosmologique (voir 4e page) et conforta un temps l'intuition des astronomes. En effet, dans le jeune Univers, a priori l'effet de la gravité n'a pas encore eu le temps de former toutes les grandes structures cosmiques qui mettront plusieurs milliards d'années pour se former et seuls existaient à cette époque reculée les quasars dont la taille était littéralement astronomique.

Mais suite à la découverte des "Grands Murs" notamment, le principe cosmologique - qui n'est qu'un raisonnement et non pas une loi - résiste mal à l'épreuve de l'observation. Car une autre découverte ébranla un peu plus ce principe cosmologique.

L'immense groupe de quasars U1.27 ou Huge-LQG

Distribution des 73 quasars dans le groupe U1.27 découvert en 2012. Document MNRAS/R.Cowes et al.

A partir des données du catalogue DR7QSO du SDSS établit en 2010 qui recense 105 783 quasars, Roger G. Clowes et des astronomes de l'Université de Lancashire en Angleterre découvrirent en novembre 2012 une vaste structure de 73 quasars à z~1.3, soit à plus de 9 milliards d'années-lumière (cf. MNRAS, 2013).

Ce grand groupe de quasars surnommé "Huge Large Quasar Group" (Huge-LQG) fut baptisé U1.27 par référence à son décalage Doppler. D'autres LQG ont été découverts dans le même catalogue mais jusqu'à présent les plus vastes contenaient 34 quasars (U1.28) et 38 quasars (U1.11) et ne dépassaient pas 350 à 380 Mpc. Avec 73 membres, U1.27 détient le record.

Cet amas de quasars mesure environ 500 Mpc, c'est un parallélépipède de 4x2x1.2 milliards d'années-lumière et sa masse équivaut 3.4x1018 M soit 1300 fois l'amas Coma ou ~50 fois le superamas Shapley !

Plus concrètement, cela représente 30 millions de Voie Lactée, c'est-à-dire que chaque quasar "pèse" autant que 400000 Voie Lactée ! Même la galaxie elliptique géante IC 1101 décrite précédemment paraît naine avec sa masse de 2000 Voie lactée !

Les astrophysiciens pensent que ces quasars si nombreux dans le jeune Univers ont présidé à la formation des filaments et des grands murs de galaxies. En effet, nous verrons que l'axe de rotation de tous ces quasars est aligné dans la direction des filaments cosmiques.

Cette découverte s'acompagna d'une autre encore plus étonnante.

Le Grand Mur GRB d'Hercule-Couronne Boréale

En novembre 2013, les astronomes Istvan Horvath de l'Université de Budapest et Jon Hakkila de l'Université de Caroline du Sud ont annoncé la découverte d'un nouveau mur de galaxies situé à 10 milliards d'années-lumière.

Il fut découvert par le truchement des éruptions gamma de quelques sources très actives (GRB ou gamma-ray bursts) situées dans les constellations d'Hercule et de la Couronne Boréale par les satellites Swift et Fermi entre 1997 et 2012. Ces sources GRB présentent un redshift compris entre 1.6 < z < 2.1.

Ce mur de galaxies occupe un volume d'au moins 9.6x7x0.9 milliards d'années-lumière ! C'est la plus grande structure cosmique découverte à ce jour. Elle est 15 fois plus étendue que le "Grand Mur CfA2" et plus de 6 fois plus vaste que le Grand Mur Sloan ! Aux dernières mesures, elle s'étendrait jusqu'à 3000 Mpc soit ~10 milliards d'a.l., soit sur près d'un quart du rayon de l'univers observable (estimé à 46.5 milliards d'années-lumière compte tenu que l'Univers a vu sa taille multipliée par ~1100 depuis la Recombinaison).

Selon Horvath et son équipe, cette structure gigantesque n'avait que 0.00055 % de chance d'exister et personne ne sait comment elle a bien pu se former et surtout se maintenir dans un Univers que l'on jugeait jusqu'à présent uniforme et homogène à grande échelle.

Simulations de la structure à grande échelle de l'univers avec la formation des superamas de galaxies

Aggrégation des galaxies (Mpeg de 883 KB du LANL), modèle intégrant la matière sombre et froide (Mpeg de 1.9 MB du LANL) et voyage à travers l'univers (Mpeg de 20 MB à télécharger depuis le site de J.Dubinsky).

Le Grand Mur BOSS

En 2016, grâce au sondage BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) une équipe d'astronomes de l'Institut d'Astrophysique des îles Canaries découvrit le "Grand Mur BOSS" (BGW) qui se situe entre 4.5 et 6.5 milliards d'années-lumière (0.43 < z < 0.71) et s'étend sur 1 milliard d'années-lumière ! Il comprend en fait deux "murs" de galaxies d'un diamètre de respectivement 186 et 173 Mpc (606 millions et 564 millions d'a.l.) et de deux grands superamas  d'un diamètre de respectivement 64 et 91 Mpc (209 millions et 297 millions d'a.l.). Cette mégastructure rassemble 830 galaxies et présente 10000 fois la masse de la Voie Lactée. Elle contient environ 2x1017 M soit 200 millions de milliards d'étoiles.

Certains astronomes considèrent toutefois qu'il ne s'agit pas d'une superstructure ni même d'une structure car ces superamas ne sont pas connectés entre eux, les espaces vides les séparant étant uniquement comblés par des nuages de gaz et de poussière. Mais c'est un argument classique que certains évoquent chaque fois qu'on découvre un "Grand Mur" et qui rappelle le problème de la définition du substantif "grand" ou "plusieurs".

Ceci dit, si ces superamas sont réellement connectés, les théories cosmologiques actuelles n'expliquent pas l'existence d'une structure aussi vaste.

Malgré le débat aux relents philosophiques qui entoure cette découverte, le "Grand Mur BOSS" est la plus grande structure cosmique découverte à ce jour. Il est quasi certain qu'en pénétrant toujours plus loin dans l'Univers, les astronomes découvriront d'autres structures de ce type.

L'Anneau GRB Géant

En cherchant d'autres structures similaires au Grand Mur GRB ou BGW, en 2015 Horvath et son équipe ont découvert un "Anneau GRB Géant" (Giant GRB Ring) à 9.1 milliards d'années-lumière comprenant 9 sources gamma qui se concentrent dans une région de 1720 Mpc de diamètre couvrant 43x30° d'arc dans le ciel. Le groupe s'étend sur 5.6 milliards d'années-lumière, ce qui en fait l'une des plus grandes structures cosmiques.

Alors que jusqu'à présent on pensait que les objets étaient uniformément distribués dans le jeune Univers, ces découvertes remettent en question le principe cosmologique et avec lui toute la dynamique de l'Univers.

En revanche, ce qui paraît évident, c'est que pour que de tels grands murs survivent durant des milliards d'années, il doit exister une toile de fond à plus grande échelle encore, une matière noire ou une énergie sombre capable de contenir toute cette matière et la compresser par gravité dans les filaments constituants les superamas de galaxies.

Le superamas de Saraswati

Une équipe d'astronomes indiens et américains dirigée par l'astronome Joydeep Bagchi de l'IUCCA précité (cf. la Concentration de Shapley) découvrit en 2017 un nouveau superamas de galaxies à 4 milliards d'années-lumière (z~0.3) dans la constellation des Poissons. Nommé "Saraswati", il s'étend sur au moins 200 Mpc soit plus de 650 millions d'années-lumière. Comme on le voit ci-dessous, cette structure entoure un immense bulle vide (ZOA) d'un diamètre de ~40 à 70 Mpc autour de laquelle s'agglutinent des amas de galaxies formant une immense structure filamentaire.

Vue générale (gauche) et gros-plan (droite) sur le superamas de Saraswati (situé au centre) identifié en 2017 à partir des sondages spectroscopiques du SDSS. Document J.Bagchi et al.

Le superamas de Saraswati comprend au moins 43 amas massifs de galaxies à z=0.28 dont deux déjà identifiés comme Abell 2631 et ZwCI 2341.1+0000 et représentent une masse totale de 20 millions de milliards de masses solaires (2x1016 M) soit environ 30000 fois la Voie Lactée ! Les modélisations indiquent que la région centrale de ~65 millions d'années-lumière de rayon et d'une masse d'au moins 4x1015 M (~5600 fois la Voie Lactée) serait en train de s'effondrer sur elle-même. Cette structure géante s'est formée il y a plus de 10 milliards d’années.

Bien que de taille inférieure au superamas de Shapley ou au Grand Mur Sloan, le superamas de Saraswati est le plus éloigné découvert à ce jour et compte parmi les superamas les plus massifs.

Les astronomes doivent à présent comprendre comment une telle structure a pu se former il y a 10 milliards d'années, une question qui restera ouverte tant que les télescopes ne pourront pas sonder et analyser l'univers en haute résolution à ces distances et modeliser son contenu avec précision.

La hiérarchie de l'Univers

Si on évalue la densité des objets qui peuplent l'Univers en fonction de leur rayon, on constate qu'ils sont hiérachisés. Au plus le rayon de la sphère contenant la structure est grand au plus faible devient la densité du milieu. Noter la limite de Carpenter-Schwarzschild à droite au-delà de laquelle la densité de la matière forme un trou noir. Document adapté de la revue "Pour la Science".

Aujourd’hui, grâce à l'amélioration des caméras CCD et surtout de la puissance des superordinateurs, les scientifiques du Berkeley Lab, du CfA et de l’Observatoire Anglo-Australien AAO notamment en collaboration avec des instituts étrangers continuent de recenser et cartographier en 3 dimensions les milliards de galaxies peuplant l'univers. Si actuellement ce recensement ne rassemble "que" quelques millions d'individus, pour la première fois on peut explorer virtuellement l’univers et découvrir toute son étendue et se rendre compte du grand isolement des galaxies.

Actuellement le problème clé de la cosmologie consiste à expliquer ces grandes structures cosmiques dans le cadre de la théorie du Big Bang inflationnaire ΛCDM. Plusieurs théories ont été proposées mais à l'heure actuelle aucune n'est prédominante et explique totalement l'aspect de l'Univers. C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

Modélisation des grandes structures cosmiques

Page 1 - 2 - 3 - 4 -


[2] D.Overbye, Science, 272, 1996, p1426 - G.Glanz, Science, 272, 1996, p1436 - A.Yahil, Nature, 379, 1996, p489 - M.Geller et J.Huchra, Science, 260, 1989, p1175.

[5] T.Broadhurst et al., Nature, 343, 1990, p726 - R.Matthews, Science, 271, 1996, p759.


Back to:

HOME

Copyright & FAQ