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Dessiner l’Univers : les rayons X apportent une nouvelle lumière - Nouveaux résultats d’un grand catalogue d’amas de galaxies

Marseille, lundi 8 octobre 2018

À l’aide de l’observatoire XMM-Newton de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), une équipe internationale, dirigée par Marguerite Pierre du Département d’Astrophysique du CEA-Irfu et à laquelle est associé Christophe Adami du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM/ Aix-Marseille Université, CNRS, CNES) vient de révéler les derniers résultats du sondage XXL, le plus vaste programme d’observation en rayons X réalisé à ce jour par le satellite XMM. Par l’examen profond de deux grandes régions du ciel, le sondage XXL est la première étude en rayons X à détecter suffisamment d’amas de galaxies et d’AGN pour permettre de retracer la structure à grande échelle de l’Univers et son évolution dans le temps avec des détails sans précédent.

Au cours des huit dernières années, l’observatoire XMM-Newton de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) a passé 2 000 heures à mesurer le rayonnement X dans le cadre du sondage XXL. Il a scanné deux zones de ciel mesurant chacune 25 degrés carrés (par comparaison le diamètre de la pleine Lune mesure environ un demi degré) et a ainsi permis d’enrichir la première série (2015) de données du catalogue de 365 amas et 26 000 noyaux galactiques actifs (AGN), au centre de certaines galaxies qui contiennent un trou noir supermassif.

« Le sondage a cartographié des amas de galaxies si éloignés que la lumière qui nous en parvient a été émise lorsque l’Univers n’avait encore que la moitié de son âge actuel, et beaucoup de noyaux actifs sont encore plus loin » nous explique Christophe Adami, chercheur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM / Aix-Marseille Université / CNRS /CNES).

« Il était relativement facile de trouver des amas de galaxies et des AGN », précise Marguerite Pierre du Département d’Astrophysique du CEA. « Mais nous avons dû utiliser plusieurs autres télescopes collectant de la lumière à différentes longueurs d’ondes, afin de recueillir plus d’informations sur chaque source, pour déterminer notamment leur nature et leur distance. »

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Images comparées de l’amas XLSSC006 dans le visible et dans les rayons X

Image en lumière visible (à gauche) et en rayons X (à droite) de l’amas XLSSC006, situé à une distance d’environ 4,5 milliards d’années-lumière de la Terre. En rayons X, la zone lumineuse rose (fausse couleur) code l’intensité du rayonnement X émis par le gaz chaud de l’amas. L’analyse de ces images permet de déterminer les caractéristiques de l’amas avec notamment sa distance.

Crédit : Image visible : Observatoire Canada-France-Hawaï (CFH) / Image en rayons X : Observatoire XMM-Newton

La matière dans l’Univers n’est pas uniformément distribuée, mais forme un réseau de filaments cosmiques façonnés par la gravité, où les amas de galaxies se trouvent à l’intersection des filaments. Les amas de galaxies sont les plus grandes structures de l’Univers liées par la gravitation et plus ou moins en équilibre. Ils représentent les régions de plus haute densité - ce qui en fait un outil puissant pour cartographier la répartition de matière dans l’univers et la comparer aux prédictions de la cosmologie.

La structure et l’évolution de l’Univers sont décrites par un ensemble de paramètres cosmologiques, qui incluent la densité de ses différentes composantes et la vitesse d’expansion de l’Univers. Le satellite Planck de l’ESA a déterminé les valeurs de ces paramètres cosmologiques en étudiant le fond diffus cosmologique. Le sondage XXL permet lui de déterminer ces mêmes paramètres mais pour l’Univers plus récent et ses résultats peuvent être comparés à ceux de Planck.

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Vue d’artiste de la Structure en filaments de l’Univers

Structure en filaments de l’Univers calculée à partir de simulations numériques. Les couleurs montrent la densité, croissante du bleu au rouge. Les amas de galaxies se forment préférentiellement à l’intersection des filaments.

Crédit : Mare Nostrum

« Bien que nous n’ayons pas trouvé autant d’amas de galaxies que prévu par le modèle cosmologique de Planck, nous avons obtenu une distribution des amas et des AGN qui reste compatible avec le modèle cosmologique actuellement privilégié, qui recourt à la constante cosmologique d’Einstein pour expliquer l’expansion accélérée de l’Univers, plutôt que d’invoquer des possibilités encore plus exotiques », explique Marguerite Pierre qui ajoute « Nous pouvons déjà améliorer l’estimation de Planck pour la constante cosmologique, même si notre analyse n’a été réalisée encore que sur la moitié de l’échantillon d’amas total attendu à l’issue du programme XXL. Nous passerons les deux prochaines années à analyser le reste de ces données dans le but d’affiner ces contraintes cosmologiques. »

Grâce au sondage XXL, c’est la première fois que des scientifiques sont capables de mesurer l’effet de regroupement tridimensionnel des amas de galaxies et des noyaux actifs AGN distants, sur une si grande région d’espace.

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Images en rayons X des 365 amas de galaxies du sondage XXL

Images en rayons X des 365 amas de galaxies du sondage XXL observés par le satellite XMM-Newton. Les 365 images sont ordonnées comme un calendrier.

Crédit : ESA/XMM-Newton/XXL Survey

« Les résultats confirment que XMM-Newton est une machine de sondage puissante pouvant révéler la répartition de matière dans l’Univers. » explique Christophe Adami, chercheur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (AMU-CNRS-CNES), et de rajouter « La future toile cosmique sera explorée par les prochains satellites de l’ESA, Euclid et Athena qui pourront sonder des régions encore plus distantes, complétant ainsi le sondage XXL ».

« C’est tout à fait passionnant que les données du télescope spatial XMM-Newton contribuent ainsi à notre compréhension de l’évolution de l’univers » conclut Norbert Schartel, scientifique du projet XMM-Newton à l’ESA. « Cela a été rendu possible grâce à la collaboration entre un grand nombre d’institutions dans de nombreux pays différents. »

Références

Les résultats sont présentés dans une série de 20 articles publiés par la collaboration du sondage XXL, dans un numéro spécial "The XXL Survey : second series" d’Astronomy & Astrophysics.

Contacts

CEA : Marguerite PIERRE
LAM : Christophe ADAMI

Pour en savoir plus...

Outre XMM-Newton, l’étude est basée sur des données provenant des observatoires astronomiques suivants: l’Observatoire européen du Sud (ESO) au Chili; le télescope Canada-France-Hawaii à Hawaii, aux États-Unis; le télescope William Herschel à La Palma, îles Canaries, Espagne; le télescope anglo-australien de l'observatoire de Siding Spring, en Australie; le télescope Blanco de l'observatoire interaméricain Cerro Tololo au Chili; le radiotélescope géant de métrewave près de Pune, en Inde; l'Australian Telescope Compact Array au Paul Wild Observatory, en Australie; et le télescope spatial Spitzer de la NASA. L'étude s'appuie également sur des calculs effectués dans les centres de calcul de l'IN2P3 / CNRS à Lyon et du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CeSAM), de l’INAF-IASF à Milan, en Italie et de l'Université de Genève, en Suisse. Ces travaux ont également donné lieu au développement d'une méthode novatrice d'analyse cosmologique pour les amas pubiée dans la revue : "The cosmological analysis of X-ray cluster surveys III & IV": Pierre, Valotti, Faccioli al 2017, A&A 607, A123 - Valotti, Pierre, Farahi et al 2018. A&A 617, C2