Les amas de galaxies laissent perplexes les cosmologistes
Publié par Adrien le 19/10/2015 à 00:00
Source: CNRS-INSU
Afin de réconcilier le modèle standard de la cosmologie avec la quantité d'amas de galaxies observés en rayon X, une équipe de chercheurs français montre que les masses des amas devraient être 70% supérieures aux estimations actuelles. Ces résultats confortent les résultats de Planck obtenus en 2013 en observant les amas dans les microondes dans l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) plus lointain. Néanmoins, le sujet continue d'intriguer les cosmologistes et pourrait être l'indice d'une "nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...)".

Les amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En deçà de 100, on parle plutôt de groupe de...), les plus grandes structures qui se soient effondrées sur elles-mêmes sous l'action de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), peuvent être observés avec une variété de techniques. Entre autres, celle de l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression...) et de la spectroscopie en rayons X qui révèlent la présence et les propriétés d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) chaud à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) de plusieurs dizaines de millions de degrés. Ils peuvent également être observés dans le domaine millimétrique et submillimétrique, en mesurant l'empreinte que ce gaz chaud laisse dans le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) du fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est un rayonnement électromagnétique provenant de l'Univers, et qui frappe la Terre de façon quasi uniforme dans toutes les directions.): c'est l'effet Sunyaev-Zeldovich ("effet SZ"). Ces amas sont une précieuse source d'information sur notre Univers et son histoire, notamment par des mesures de leur abondance - le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'amas par unité de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.). En effet, cette abondance résulte du nombre de structures qui ont eu le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de se former par l'effondrement des fluctuations de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) dont l'origine se trouve dans l'Univers primordial.


Figure 1: L'estimation des masses des amas nécessaires pour expliquer leur densité numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par...) locale dans un modèle LCDM en accord avec les mesures des fluctuations du fond cosmologique sont quelques 70% supérieures aux masses déduites des observations directes en rayons X.

Une trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la...) de ces fluctuations primordiales se trouve dans le fond diffus cosmologique (FDC), cette "première image" de l'Univers. Son observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique...) et analyse par le satellite Planck (Planck est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit être lancé en septembre 2008.) a fortement consolidé les fondements du modèle cosmologique standard: une constante cosmologique (La constante cosmologique est un paramètre rajouté par Einstein en février 1917 à ses équations de la relativité générale (1915), dans le but de rendre sa théorie compatible avec...) (ou énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) noire) représentant environ 70% de la densité de l'Univers et une composante de matière sombre froide en représentant 25%. Les 5% restant sont les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...), seul contenu directement accessible aux observations des astronomes.

En connaissant l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) des fluctuations primordiales (grâce au FDC), l'abondance d'amas de galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au...) peut alors être prédite et comparée aux observations, et ainsi contraindre des modèles d'Univers. Or le satellite (Satellite peut faire référence à :) Planck a aussi observé l'abondance des amas grâce à leur empreinte par effet SZ dans le FDC. La comparaison menée par des chercheurs de l'IAS et présentée en 2013 montrait que, compte tenu des estimations de masses obtenues par le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose...), basées sur l'application de l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des quantités qui...) de l'équilibre hydrostatique du gaz au sein des amas, la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) d'amas observés est 3 à 4 fois plus faible que les valeurs attendues ! Pour réconcilier ces abondances avec le modèle standard, les masses des amas devraient être nettement supérieures, d'environ 70%, aux estimations antérieures basées sur les observations en rayon X (Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. L'énergie de ces photons va de quelques eV...). De nombreux cosmologistes ne sont pas prêts à franchir ce pas, ce qui impliquerait que le modèle cosmologique standard doit être révisé par exemple en invoquant l'existence de neutrinos massifs.

Une équipe française a étudié cette question avec une nouvelle approche. Dans un premier temps, ils ont repris les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) qui permettent de déterminer l'abondance des amas (locaux/proches) détectés par leur émission en rayon X. Puis, ils ont évalué les masses que ces amas devraient avoir pour être en accord avec le modèle "?CDM" tel qu'il nous apparaît à travers les fluctuations du fond cosmologique mesurées par Planck. Leurs résultats montrent alors un très bon accord avec les conclusions mentionnées précédemment: les masses des amas doivent être supérieures aux estimations antérieures d'environ 70%. Il y a donc une grande cohérence entre les conclusions tirées des observations en rayons X et celles obtenues à partir de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) "SZ" de Planck. La question de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) réelle des amas reste donc un sujet débattu au sein des spécialistes: les masses d'amas obtenues par différentes méthodes d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) directe sont-elles vraiment sous-estimées ou ces mesures sont-elles l'indice d'une "nouvelle physique" ? Le fait de disposer de mesures de masse d'amas précises et fiables apparaît donc plus que jamais comme un enjeu crucial pour la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.). Ce sujet devrait connaître des progrès décisifs dans les années à venir grâce à la mise en service d'instruments dédiés à la réalisation de grands relevés de galaxies. Parmi eux on compte notamment le satellite Euclid, qui permettra en autres une mesure précise et fiable des masses des amas par effet de lentille gravitationnelle (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.).

Les chercheurs français à l'origine de cette découverte sont issus de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) en Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et...) et Planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses branches de la science ; son domaine d'étude s'étend...), IRAP (CNRS, Université de Toulouse (Cette page est consacrée au PRES Université de Toulouse. Pour les pages sur les universités voir Université Toulouse I, Université Toulouse II-Le Mirail, Université Toulouse III; pour...) Paul Sabatier) et de l'Institut d'Astrophysique Spatiale, IAS (CNRS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la...) Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.), CNES). Ce travail a bénéficié également du soutien du LABEX OCEVU, financé par l'ANR, dans le cadre du programme "Investissements d'Avenir".

Ces résultats font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) d'une publication dans la revue Astronomy and Astrophysics, en date du 12 octobre 2015.
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