Planck, un désaccord avec le fond diffus cosmologique
Publié par Isabelle,
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La collaboration Planck met aujourd'hui à disposition de la communauté un nouveau catalogue d'amas de galaxies extrait de la totalité des données de la mission. Il contient 1653 détections. Parmi elles, 439 ont été utilisées pour améliorer l'estimation des paramètres cosmologiques dont ceux liés à la matière et l'énergie noire dans le cadre du modèle cosmologique standard. Les contraintes déterminées avec les amas seuls restent en désaccord, depuis la première analyse de 2013, avec celles obtenues directement avec le fond diffus cosmologique. Ce désaccord pourrait être en partie levé en autorisant une masse des neutrinos plus élevée que dans le modèle standard.
Fig.1: masse des amas Planck en fonction du redshift z. Les détections communes au premier catalogue PSZ1 (publié en 2013) et au nouveau catalogue PSZ2 sont en noir. Les nouvelles détections sont en rouge, situées à plus basse masse. Les lignes bleues pleine/tiret/pointillé délimitent les zones où un amas donné sur le ciel a respectivement 20/50/80% de chance d'être détecté par Planck.
Un nouveau catalogue d'amas de galaxies
La collaboration Planck a extrait un nouveau catalogue d'amas de galaxies de l'ensemble des données de la mission (29 mois). Ce catalogue, appelé PSZ2, contient 1653 détections dont 1203 d'ores et déjà confirmées via d'autres jeux de données en particulier avec le satellite XMM et des télescopes optiques au sol. Il fait suite au premier catalogue PSZ1 (1227 détections) extrait sur la moitié des données de Planck et publié en 2013.
Le catalogue est obtenu par détection de l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ), la diffusion Compton inverse des photons du fond diffus cosmologique (cosmic microwave background, CMB, en anglais) sur le gaz chaud d'électrons à l'intérieur des amas de galaxies. C'est la fameuse "ombre portée des amas" sur les cartes du fond diffus cosmologique (1).
L'utilisation de l'ensemble des données a permis de construire des cartes du ciel moins bruitées, donc augmentant la sensibilité permettant de détecter de nouveaux amas ayant une masse plus faible que ceux publiés dans le catalogue PSZ1. La Fig. 1 présente la distribution des masses des amas Planck en fonction du redshift (2) pour les 1094 amas du catalogue ayant un redshift mesuré par d'autres télescopes. . Planck détecte les amas les plus massifs de l'Univers (masse de plusieurs fois 1014 masses solaires) entre redshift 0 (équivalent à l'Univers d'aujourd'hui) et redshift 1 (8 milliards d'années). Un nouveau suivi au sol avec des télescopes dans le domaine visible est nécessaire pour déterminer les redshift manquants au sein des 1653-1094=559 détections. Ils peupleront en partie le domaine en redshift au-delà de 0.6 dans lequel peu d'amas massifs sont connus.
Plus de deux fois plus d'amas et une méthodologie perfectionnée pour ré-estimer les paramètres cosmologiques
En 2013, la collaboration Planck avait publié ses premières mesures de paramètres cosmologiques avec les
amas (3). Elles avaient été obtenues à partir d'un sous échantillon de 189 amas du PSZ1 et une analyse reposant sur l'étude des comptages d'amas en fonction du redshift. Les comptages d'amas sont particulièrement sensibles au paramètre cosmologique ?8, l'amplitude des fluctuations de densité de la matière (matière baryonique et matière noire) qui influence l'évolution des structures dans l'Univers. Alors que le fond diffus cosmologique (CMB) assurait une valeur de ?8 de 0.83 avec une barre d'erreur d'environ 0.03, les amas mesuraient 0.75. Ce désaccord se traduisait par un nombre d'amas observé deux fois plus faible que celui prédit par le CMB.
La collaboration Planck publie aujourd'hui une nouvelle analyse utilisant 439 amas au lieu de 189 et améliorant la méthode d'analyse pour tenir compte de la distribution des amas non seulement en fonction du redshift mais aussi en fonction du signal sur bruit. Cette analyse nécessite d'estimer précisément la masse des amas, quantité non fournie par l'analyse SZ. La collaboration Planck a pu mieux estimer les incertitudes systématiques en utilisant trois méthodes récentes permettant de calculer la masse des amas Planck (ceux du catalogue de Planck).
Fig. 2: Nouvelles contraintes cosmologiques obtenues avec les amas Planck à un niveau de confiance de 68 et 95%. L'amplitude des fluctuations de densité de la matière ?8 déterminée avec les amas de galaxies selon différentes hypothèses sur leur masse (contours de couleurs verte, bleue, violette) reste sensiblement plus petite que celle déterminée avec le fond diffus cosmologique seul (CMB, contour en tirets noirs). L'accord sur la quantité de matière Omega m est quant à lui toujours bon.
La Fig. 2 synthétise ces nouveaux résultats. Elle montre les contraintes à 68 et 95% de confiance obtenues pour ?8, l'amplitude des fluctuations de densité de la matière et ?m, la quantité de matière dans l'Univers. Les contours de couleur verte/bleue/violette correspondent aux nouvelles contraintes posées par les amas Planck pour les trois mesures de masse des amas Planck. Les deux premières sont réalisées par les collaborations Weighing the Giants (WtG) et Canadian Cluster Cosmology Project (CCCP) en utilisant l'effet de lentille gravitationnel faible observé avec des télescopes optiques. La troisième, novatrice developpée par le groupe de l'Irfu, utilise directement l'effet de lentille des amas sur les anisotropies du CMB observé dans les données Planck. Le contour en trait tirets noirs est celui du CMB (CMBlens).
Les trois contours de couleur sont en désaccord avec celui du CMB à un degré plus ou moins important selon la mesure de masse utilisée
En fait le CMB est sensible à la valeur de ?8 très tôt dans l'Univers, à redshift =1100 (moment où l'Univers devient transparent 380 000 après le Big Bang), alors que les amas qui se forment tard, mesurent la valeur de ?8 à z~1 (il y a 8 milliards d'années). La relation entre ces deux valeurs dépend de la croissance des structures. Or celle-ci est ralentie par les neutrinos, d'autant plus qu'ils sont massifs. Dans le modèle standard de la cosmologie, la somme des masses des neutrinos est aujourd'hui fixée à une valeur minimale de 0.06 eV (correspondant à la mesure de la somme des masses d'oscillation déterminée par les expériences de neutrinos et en considérant que la masse du neutrino le plus léger est nul).
Le désaccord sur ?8 entre CMB et amas peut être résolu si on permet que la somme des masses des neutrinos soit comprise entre 0.2 et 0.3 eV. Cependant, cette valeur haute entre en conflit avec les contraintes posées par les BAO et l'analyse des forêts Lymann-Alpha (4) qui impose à cette somme d'être plus petite que 0.15eV.
La masse des neutrinos aide donc à la réconciliation mais ne peut pas être la seule explication au désaccord entre les amas et le CMB
Une autre solution serait de réviser encore plus la masse des amas vers le haut, mais cela pose des problèmes astrophysiques. Par exemple, la proportion du gaz dans les amas par rapport à la matière noire n'est plus représentative de sa valeur dans l'Univers, un déficit non prédit par les modèles actuels de formation des amas. Il faudra poursuivre les analyses, en particulier en cherchant à mesurer avec toujours plus de précision, les masses des amas.
Notes:
(1) http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=actu&id_ast=3286
(2) le redshift donne la vitesse d'éloignement, laquelle donne la distance qui permet de dater l'événement galactique observé. Le redshift d'un rayonnement mesure l'âge et la distance de son émetteur.
(3) http://www.aanda.org/articles/aa/abs/2014/11/aa21521-13/aa21521-13.html
(4) http://adsabs.harvard.edu/abs/2014arXiv1410.7244P
Source et illustration: CEA-IRFU