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Les amas de galaxies

L'amas de Pandore, Abell 2744 (II)

L'un des amas de galaxies les plus éloignés découverts à ce jour est l'amas de Pandore ou Abell 2744 (ACO 2744) situé dans la constellation du Sculpteur présenté ci-dessous à gauche.

Concernant les ordres de grandeur, l'image couvre un minuscule champ de 2'x3' seulement (par comparaison, les galaxies proches occupent un champ 10 fois plus étendu comme M101 qui couvre 19.5'x12' ou M81 qui couvre 25'x12', sans parler de M31 qui couvre au moins 3°x1°).

Pandora comprend une centaine de galaxies "brillantes" - c'est relatif quand on sait que la magnitude de la plus brillante est de +28.61 - situées à 3.5 milliards d'années-lumière (redshift z=0.308). Il s'agit de jeunes galaxies en train de produire des étoiles, d'où leur éclat. La galaxie la plus brillante produit des étoiles à un rythme 50 fois plus rapide que la Voie Lactée de nos jours. Ces galaxies mesurent 1/20e de la taille de notre Galaxie mais contiennent chacune probablement environ 1 milliard d'étoiles très rapprochées les unes des autres.

Pour bien se représenter à quel point Pandora est pâle et éloigné et représente un défi à photographier, j'ai proposé à Rolf Olsen, un astrophotographe amateur talentueux vivant en Nouvelle Zélande d'essayer de le photographier avec un télescope de 317 mm f/4 équipé d'une caméra CCD. Sachant que pratiquement aucun amateur n'a atteint la magnitude photographique +28, cela reste un défi pour ce type d'instrument et même pour un télescope deux fois plus grand. Encore un peu de patience, nous aurons bientôt le résultat.

Comme des milliers d'autres amas, Pandora est apparemment ordinaire mais il cache en fait l'une des plus grandes énigmes de l'astrophysique et de la cosmologie.

A voir : Zoom in Abell 2744

Zoom plus lent dans Abell 2744

A gauche, l'amas Pandora ou Abell 2744 situé à 3.5 milliards d'années-lumière, les galaxies à l'arrière-plan étant situées à plus de 12 milliards d'années-lumière. Il s'agit d'une image composite visible/IR. Le champ couvre 2'x3' d'arc. Au centre, une vue générale de Pandora dans les rayonnements visible et X. Les zones rouges représentent les émissions X tandis que les zones bleues indiquent la présente de matière sombre en interaction avec le gaz chaud et à l'origine des effets de lentilles gravitationnelles. Cette matière sombre invisible représente environ 75% de la masse de cet amas. A droite, le rayonnement de l'amas dans le rayonnement X où il brille 4 fois plus qu'en lumière blanche. Documents NASA/ESA/STScI/Spitzer et Chandra.

En effet, dans le cadre du programme "Frontier Fields" (cf. aussi STScI), en analysant les photographies de l'amas de Pandore en détails les astronomes ont dénombré à l'arrière-plan quelques 3000 galaxies situées à plus de 12 milliards d'années-lumière et 10 à 20 fois plus brillantes que la plupart des autres galaxies situées à cette distance. Avec un redshift z=10, elles apparaissent comme de faibles taches rouges (cf. les images du HST).

Rappelons que l'amas de Pandore est contemporain de la galaxie z8_GND_5296 (z=7.51) et contient plusieurs autres galaxies très éloignées dont Abell 2744_Y1 située à plus de 13.14 milliards d'années-lumière (z=7.98). 

Des études ont également montré que les galaxies les plus éloignées sont impliquées dans le processus de réionisation de l'univers. On y reviendra dans l'article consacré aux galaxies les plus lointaines.

Mais il y a plus étonnant encore. Selon les astronomes du STScI, l'ensemble de l'amas de Pandore représente une masse de 4x1012 M soit 4000 milliards de soleils !

L'amas de Pandore a également été analysé dans le rayonnement X par le satellite Chandra, comme on le voit sur les images ci-dessus à droite.

On a découvert que 20 % de la masse de l'amas de Pandore est représentée par les galaxies, 5% de sa masse est constituée de gaz chaud (100000 à 10 millions de degrés) tandis qu'environ 75 % de sa masse soit 3000 milliards de masses solaires sont constituées de matière sombre invisible ! Cette matière n'émet pas, n'aborbe pas et ne réfléchit pas la lumière. Bien qu'elle se manifeste à travers son attraction gravitationnelle, elle interagit peu avec la matière ordinaire. Aussi, la seule manière de la débusquer est de l'observer lors de ses rares interactions avec les nuages chauds intra-amas ou dans les lentilles gravitationnelles. Ce sont justement ces deux phénomènes qu'on peut observer dans l'amas de Pandore.

Ainsi, en raison de la masse colossale de cet amas, certaines petites galaxies y compris celles présentant un grand redshift (z=8 à 10) présentent des effets de lentilles gravitationnelles (cf. la relativité générale), leur image se démultipliant jusqu'à trois fois autour de la masse déformante (cf. cette image ainsi que les articles de P.A.Oesch et al., ApJ 808, p104, 2015 et D.Lam et al., ApJ 797, p98, 2014).

En pointant précisément la manière dont ces images sont déformées, les astronomes ont pu localiser cette masse - la matière sombre - qui se situe dans toute la zone bleue ci-dessus.

Cette matière sombre reste une énigme pour les chercheurs. Aussi nous prendrons le temps d'étudier ce sujet en détail en cosmologie.

Les ponts de matière reliant les amas

En 2012, une équipe d'astronomes dirigée par Kristen Coppin, astrophysicien à l'Université McGill au Canada, découvrit grâce au télescope spatial Herschel de l'ESA un immense pont de matière reliant deux des trois amas de galaxies au sein du superamas RCS 2319+00 découvert en 2008 et situé à 7 milliards d'années-lumière.

Le pont de matière reliant deux amas de galaxies au sein du superamas RCS 2319+00 situé à plus de 7 milliards d'années-lumière. Document NASA/ESA/JPL/CXC.

Selon les résultats de leur étude, ce filament intergalactique présenté à droite contient des centaines de galaxies et s'étend sur 8 millions d'années-lumière. Selon Kristen Coppin, la découverte d'un superamas émergeant est exceptionnellement rare étant donné la distance à laquelle il se trouve. Sa masse est estimée à environ 6x1014 M.

Le coeur de ces amas a déjà été méticuleusement étudié en lumière blanche et en rayonnement X mais c'est grâce aux analyses infrarouges et submillimétriques (55-672 microns) du télescope spatial Herschel que l'intense activité des étoiles en formation cachées dans les nuages obscurs des filaments a pu être détectée grâce à la chaleur libérée par les étoiles.

L'émission infrarouge suggère que les galaxies présentes dans le pont de matière produisent une masse équivalente à environ 1000 M de nouvelles étoiles chaque année. Par comparaison, la Voie Lactée produit environ 1 M de nouvelles étoiles chaque année.

Cette activité est vraisemblablement entretenue par les effets de la gravitation qui forcent les galaxies à entrer en collisions mutuelles, perturbant les nappes de gaz, ce qui déclenche à petite échelle des bouffées de formations de nouvelles étoiles.

L'étude de ces filaments est très intéressante car ces ponts lumineux de matière nous offre un instantané de la manière dont évoluent les stuctures cosmiques sur de très grandes échelles et la manière dont elles influencent l'évolution des galaxies individuelles piégées en leur sein. En effet, dans ce cas-ci, les astrophysiciens peuvent explorer la question fondamentale de savoir si c'est la nature ou la "nourriture" de la galaxie qui détermine son évolution. Dans l'esprit d'un astrophysicien, le rôle de l'environnement est l'une des facteurs clés pour expliquer l'évolution galactique.

Les simulations indiquent que les galaxies formant le pont de matière de RCS2319 finiront pas migrer vers le centre du superamas émergeant. Au cours des 6 à 8 prochains milliards d'années, les astronomes estiment que cette région ressemblera à un gigantesque amas de galaxies, similaire à celui de l'amas de Coma. Cet ama contiendra des galaxies elliptiques rouges et pratiquement mortes contenant des étoiles âgées rougeâtres à la place des jeunes étoiles bleutées.

Les galaxies que l'on voient actuellement comme des éruptions stellaires dans le superamas RCS2319 finiront par mourir en créant l'une des structures les plus massives de l'Univers. C'est donc un évènement exceptionnel qu'on peut observer aujourd'hui.

Au plus profond de l'espace

Enfin, si on braque le Télescope Spatial Hubble dans un champ de quelques minutes d'arc de l'univers ultra profond (UDF), dans la Grande Ourse ou le Fourneau comme ci-dessous, des photographies exposées plusieurs centaines d'heures révèlent des milliers de galaxies dont une centaine situées à plus de 13 milliards d'années-lumière !

A voir : Across the Universe: Hubble Ultra Deep Field, HST

Zoom into the Hubble Ultra Deep Field, HST

A gauche, gros-plan sur un amas de galaxies situé dans la Grande Ourse. L'image de gauche a été prise par Akira Fujii, les deux autres au moyen du Télescope Spatial Hubble. L'étroite bande centrale est la combinaison de 21x3 photographies prises sur une période d'un an. L'image comprend plus de 6000 galaxies distribuées dans une zone de 1°. L'image de droite est un agrandissement d'une région d'environ 5 minutes d'arc. Au centre et à droite, deux images du champ ultra profond (UDF) photographié par le Télescope Spatial Hubble. Il s'agit du compositage d'environ 2000 photographies. Dans les deux cas, il s'agit de la même région du Fourneau, l'image de droite étant légèrement agrandie et montrant des galaxies encore un peu plus pâles et plus éloignées. On touche ici aux limites des capacités d'Hubble. L'image centrale comprend près de 10000 galaxies et nécessita un temps d'intégration total équivalent à plus de 11 jours d'exposition. Une centaine de galaxies sont situées à plus de 13 milliards d'années-lumière. Dans l'image de droite les astronomes ont dénombré plus de 5500 galaxies de 30e magnitude dont plusieurs présentent un décalage Doppler z entre 8.9 et 11.9; certaines sont situées à plus de 13.4 milliards d'années-lumière ! Cette image qui combine des photographies enregistrées en 2003 et 2004 en lumière blanche et proche IR représente un temps d'intégration total de plus de 23 jours d'exposition (555 heures) ! Les taches rouges sont des galaxies en collision. Les deux vidéos ci-dessus présentent un zoom sur cette région du ciel, la première avec une modélisation en 3D basée sur les distances calculées à partir du spectre de chaque objet. Documents A.Fujii/STScI, NASA/ESA/STScI et UCOLick.

Un autre exemple est l'amas MS1054-03 présenté ci-dessous et découvert par Pieter van Dokkum et Marijn Franx de l'Université de Groningen/Leiden aux Pays-Bas grâce au Télescope Spatial Hubble en 1999. Situé à 8 milliards d'années-lumière, cet amas contient 81 galaxies dont 13 résultent de collisions ou de paires de galaxies en interactions.

Bref, où que l'on pointe les télescopes et aussi puissant soit le grossissement ou la durée d'exposition, on découvre des centaines voire des milliers de galaxies. L'Univers en est rempli à toutes les distances !

Aux confins de l'univers

Ci-dessus, au confins de l'univers visible 300 galaxies pâles se présentent à nous grâce au Télescope Spatial Hubble. Les candidats les plus rouges sont peut-être situés à plus de 12 milliards d'années-lumière, tellement distants et rapides que leur lumière accuse un redshift prononcé. Cette image couvre un champ de 18' de la Grande Ourse et s'étend sur 2 millions d'années-lumière. L'image consiste en un compositage RGB de 36 heures de temps d'intégration en lumière bleue et proche infrarouge (B=450 nm, G=1100 nm, R=1600 nm) et atteint la 30e magnitude. Document NASA/ESA/STScI/NICMOS. Ci-dessous, l'étonnant amas de galaxies MS1054-03 situé à 8 milliards d'années-lumière, l'un des amas les plus éloignés que l'on connaisse. Chaque petite ellipse jaune ou bleue est pratiquement une galaxie. On en a dénombré 81 dont 13 résultent de collisions ou de paires de galaxies en interactions. Dans l'encadré de droite sont représentées quelques unes de ces galaxies en interactions. Document NASA/ESA/STScI.

Alors que jusqu'en 1960 environ on croyait l'univers homogène à toutes les échelles en vertu du "principe cosmologique", en le sondant dans les trois dimensions les astronomes ont eu une étonnante vision de l'Univers : les galaxies ne sont pas uniformément réparties ! Elles s'organisent dans des structures à grande échelle : les superamas de galaxies.

Les superamas de galaxies

En 1960, Gérard de Vaucouleurs[2] découvrit que l'Amas Local, entouré d'une vingtaine de petits amas et d'une trentaine de galaxies isolées formait le "Superamas Local" ou superamas de la Vierge (Virgo) dont le centre se situe à environ 65 millions d'années-lumière du Soleil. L'Amas Local se trouve en périphérie de ce superamas dont il effectue la révolution autour du centre à la vitesse d'environ 400 km/s.

Au fil des études, il s'est avéré que le Superamas Local contient environ 10000 galaxies regroupées dans une centaine d'amas et représente une masse d'environ 1015 M¤. Il s'étend sur un diamètre d'environ 33 Mpc ou 110 millions d'années-lumière. Le Superamas Local présente un volume ~7000 fois supérieur à celui de l'Amas Local qui est un membre périphérique de cette structure gigantesque.

Grâce aux différents programmes de sondages du ciel profond, du POSS de 1958 à la dernière version DR9 du SDSS de 2012, les astronomes ont eu la chance de pouvoir réaliser un inventaire de l'Univers et de placer chacune des galaxies analysées soit environ 1 milliard d'objets (ce qui ne représente que 1 % du total estimé), dans un modèle tridimentionnel de l'Univers dont les scientifiques ont tiré plusieurs vidéos y compris en 3D (anaglyphes) à l'intention du public et présentées ci-dessous.

A voir : Largest Sky Map Revealed: An Animated Flight Through the Universe

A flight through the Universe by SDSS 3D (version 3D anaglyphe)

En analysant ces données et quantité d'autres informations recueillies à différentes longueurs d'ondes (IR, radio, X, etc), les astronomes ont découvert que jusqu’à plus de 10 milliards d'années-lumière (le Grand mur GRB), les galaxies s'agglutinent dans des superamas n'occupant que quelques pourcents du volume.

Ces gigantesques formations laissent autour d'elles de grands trous vides quasiment exempts de galaxies pouvant atteindre plusieurs centaines de millions d'années-lumière de diamètre, tel le "trou du Bouvier" découvert en 1981 par l'astronome américain R.Kirshner et ses collaborateurs[3] qui mesure 250 millions d'années-lumière de diamètre. On y a finalement découvert 60 galaxies alors qu'un tel volume pourrait en contenir au moins 100 fois plus.

Cette structure particulière apparaît surtout à grande échelle où l'univers des galaxies prend la forme d'énormes bulles de savon.

Pour ne pas nous égarer dans cet Univers, le sujet étant aussi vaste que son objet d'étude, nous reviendrons en détail sur les superamas en cosmologie lorsque nous décrirons la structure de l'Univers à grande échelle et les questions que cela soulève.

Conseils de lecture

Voyage sur les flots de galaxies - Laniakea, notre nouvelle adresse, Hélène Courtois, Dunod, 2016

Galaxies et Cosmologie, Françoise Combes et Misha Haywood, Ellipses Marketing, 2009

Mystères de la formation des Galaxies. Vers une nouvelle physique?, Françoise Combes, Dunod, 2008

What nearby clusters can teach us about galaxy formation and evolution (PDF), Matthew Colless/AAO, 2011

Nearby Optical Galaxies: Selection of the Sample and Identification of Groups, G.Giuricin et al., ApJ., Vol. 543, 1, janv 2000

Local Group Cosmology, s/Dir David Martinez-Delgado, Cambridge University Press, 2013

Large-Scale Stucture of the Universe, P.J.E.Peebles, Princeton Series in Physics, 1992

Large-Scale Motions in the Universe, Vera C.Rubin, Princeton University Press, 1988/1992.

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[2] G.de Vaucouleurs, Astrophysical Journal, 131, 1960, p585.

[3] R.Kirshner et al., Astrophysical Journal Letters, 248, 1981, L57 - J.Silk, Nature, 320, 1986, p2 - J.Glanz, Science, 272, 1996, p1436 - J.Bond et al., Nature, 380, 1996, p603.


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