Dessiner l'univers: les rayons X apportent une nouvelle lumière
Publié par Redbran le 09/10/2018 à 12:00
Source: CEA-IRFU
Nouveaux résultats d'un grand catalogue d'amas de galaxies

À l'aide de l'observatoire XMM-Newton de l'ESA, une équipe internationale, dirigée par Marguerite Pierre du Département d'Astrophysique du CEA-Irfu vient de révéler les derniers résultats du sondage ( Un sondage peut désigner une technique d'exploration locale d'un milieu particulier. Un sondage peut également être une méthode statistique...) XXL, le plus vaste programme 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 plaisir procuré explique la...) en rayons X réalisé à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...) par le satellite (Satellite peut faire référence à :) XMM. Le deuxième lot de 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 vient d'être publié dans un numéro spécial de la revue Astronomy & Astrophysics, comprend des informations sur 365 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 galaxies, même si la frontière entre groupe et amas n'est pas...) et sur 26 000 noyaux galactiques actifs (AGN). Par l'examen profond de deux grandes régions du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.), le sondage XXL est la première étude en rayons X à détecter suffisamment 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,...) et d'AGN pour permettre de retracer la structure à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande...) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) et son évolution dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) avec des détails sans précédent.

Les plus puissantes sources de rayons X de l'Univers

Les rayons X sont produits dans certains des processus les plus énergétiques de l'Univers, mais comme ils sont bloqués par l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) terrestre, ils ne peuvent être observés que depuis l'espace. Lorsque les télescopes à rayons X observent l'univers extragalactique lointain, ils voient essentiellement deux types de sources: les amas de galaxies qui contiennent un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) très chaud émettant des rayons X et les noyaux galactiques actifs (AGN), centres de certaines galaxies qui contiennent trou noir supermassif (En astrophysique, un trou noir supermassif est un trou noir dont la masse est d'environ un million à un milliard de masses solaires. C'est le type de...).
L'observatoire XMM-Newton de l'ESA est l'un des télescopes à rayons X les plus puissants jamais mis en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.). Au cours des huit dernières années, il a 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 au futur sur une échelle des...) 2 000 heures (L'heure est une unité de mesure  :) à mesurer le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une...) X dans le cadre du sondage XXL, qui a recherché des amas de galaxies et des AGN en scannant deux zones de ciel mesurant chacune 25 degrés carrés (par comparaison le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur...) de la pleine lune (La pleine Lune est la phase lunaire durant laquelle la Lune apparaît la plus brillante depuis la Terre, de par le fait que nous voyons, lors de cette phase, presque toute...) mesure environ un demi degré).

Le premier ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de données XXL a été publié en 2015 et comprenait 100 des amas de galaxies les plus brillantes et 1000 AGN. Le nouveau catalogue, qui vient d'être publié dans un numéro spécial d'Astronomy & Astrophysics, est le résultat d'environ 2000 heures d'observations réalisées entre 2015 et 2017 et il contient cette fois-ci 365 amas et 26 000 AGN.

Le sondage a cartographié des amas de galaxies si éloignés que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) 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.

"Il était relativement facile de trouver des amas de galaxies et des AGN, car à cette distance ce sont les seuls objets extragalactiques visibles en rayons X", explique Marguerite Pierre du Département d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles,...) du CEA. "Mais nous avons dû utiliser plusieurs autres télescopes collectant de la lumière à différentes longueurs d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.), afin de recueillir plus d'informations sur chaque source, pour déterminer notamment leur nature et leur distance."


Image en lumière visible (à gauche) et en rayons X (à droite) de l'amas amas XLSSC006, situé à une distance d'environ 4,5 milliards d'années-lumière de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est...). 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. Image visible: Observatoire Canada-France-Hawaï (CFH) / Image en rayons X: Observatoire XMM-Newton

Un Univers en filaments

La 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, l'état...) dans l'Univers n'est pas uniformément distribuée, mais forme un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on...) de filaments cosmiques façonnés par la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), 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 (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). Ils représentent les régions de plus haute densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence....) - ce qui en fait un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) puissant pour cartographier la répartition de matière dans l'univers et la comparer aux prédictions de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.)

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 (On distingue :) d'expansion de l'Univers. Le satellite Planck (Planck est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit être lancé en septembre 2008.) de l'ESA a déterminé les valeurs de ces paramètres cosmologiques en étudiant le 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.), un rayonnement micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde...) présentant de très faibles inhomogenéités, qui fournit une information sur l'univers très précoce.

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.

"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 (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 l'idée qu'il avait alors d'un Univers statique....) 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 (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 :) d'amas total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas...) 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."


Structure en filaments de l'Univers calculée à partir de simulations numériques. Les couleurs montrent la densité, croissante du bleu au rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.). Les amas de galaxies se forment préférentiellement à l'intersection des filaments. Crédits: Mare Nostrum

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. Ils peuvent par exemple enfin voir comment se répartissent les AGN dans la structure à grande échelle de l'Univers dessinée par les amas de galaxies.

Les résultats confirment que XMM-Newton est une machine de sondage puissante pouvant révéler la répartition de matière dans l'Univers. 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.

En attendant, les scientifiques de la collaboration XXL envisagent de traiter les observations restantes et d'examiner les données à l'aide de techniques de traitement améliorées. La version finale des données XXL contenant encore plus de sources de rayons X, ainsi que l'analyse cosmologique complète, est prévue pour 2021. Dix-neuf ans après le lancement du satellite (Satellite peut faire référence à :) XMM-Newton, le consortium XXL est toujours l'unique équipe à avoir ainsi publié des catalogues d'amas de galaxies en rayons X permettant la premiere analyse cosmologique de ces amas. "C'est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait passionnant que les données du télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son homologue terrestre de ne pas être perturbé par...) XMM-Newton contribuent ainsi à notre compréhension de l'évolution de l'univers" conclut Norbert Schartel, scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur...) du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité...) XMM-Newton à l'ESA. "Cela a été rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et des sources de...) possible grâce à la collaboration entre un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'institutions dans de nombreux pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²),...) différents."


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. Crédits: ESA/XMM-Newton/XXL Survey.
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Contacts: Marguerite PIERRE

Publications:

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.

Outre XMM-Newton, l'étude est basée sur des données provenant des observatoires astronomiques suivants: l'Observatoire européen du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) (ESO) au Chili; le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille apparente des objets...) 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 (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie. En plus...); le télescope Blanco de l'observatoire interaméricain Cerro Tololo au Chili; le radiotélescope (Un radiotélescope est un télescope spécifique utilisé en radioastronomie pour capter les ondes radioélectriques émises par les astres. Ces ondes radio, bien que plus ou moins prédites par...) géant de métrewave près de Pune (Pune (Marathi:????) (autrefois nommée Punvadi) est la deuxième ville de l'État indien du Maharashtra avec 3,75 millions d'habitants (les punekaris), qui dans leur grande majorité parlent le marâthî. Elle est considérée...), en Inde; l'Australian Telescope Compact Array au Paul Wild Observatory, en Australie; et le télescope spatial Spitzer (Le télescope spatial Spitzer est le plus gros télescope infrarouge lancé par la NASA. Ces longueurs d'ondes ne pouvant être observées utilement depuis le sol, seul un objet à l'extérieur de l'atmosphère, refroidi cryogéniquement peut...) de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme spatial...). L'étude s'appuie également sur des calculs effectués dans les centres de calcul de l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique...) / CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à Lyon et du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, de l'INAF-IASF à Milan (Milan (en italien Milano, du latin Mediolanum, en lombard Milàn) se situe dans le nord de l'Italie. Capitale de la région de Lombardie, au centre de la plaine du Pô, la ville compte 1 816 495...), en Italie et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Genève, en Suisse.

Ces travaux ont également donné lieu au dévelopement d'une méthode novatrice d'analayse 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
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