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Dans le chaudron de l’Univers : les amas de galaxies

Amas de galaxie A1689, image obtenue avec le télescope spatial Hubble. N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Hebrew Univ.), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick), ACS Science Team, ESA, NASA

Dans le chaudron de l’Univers : les amas de galaxies

Cet article est publié en partenariat avec La nuit européenne des chercheurs.

Les galaxies sont des structures formées par des millions d’étoiles de différents types, de la poussière et un grand halo de matière qui n’émet pas de lumière : il est plus connu sous le nom de matière noire. L’une des premières personnes qui a effectué une classification des galaxies a été Edwin Hubble en 1923 : il a réalisé que ces taches qui existaient dans le ciel n’étaient autres que des galaxies indépendantes de la nôtre. En effet, nous habitons dans une de ces galaxies, la Voie lactée, qui peut être observée depuis notre planète.

Quelque temps plus tard, au cours de la moitié du XXe siècle, les plus grandes structures de l’Univers, les amas de galaxies, ont été découvertes grâce à l’amélioration de la qualité des télescopes. Ces objets sont équivalents à des « villes » peuplées de galaxies, gigantesques : des dizaines à des milliards de galaxies regroupées, étoiles, gaz et une grande proportion de matière noire, le tout lié par la force de gravitation.

La taille de ces objets célestes va de 3 à 30 millions d’années-lumière. Leurs masses vont de 100 à plusieurs millions de milliards de fois celle du Soleil. La photo d’ouverture de cet article montre un amas de galaxies, A1689, observé avec le télescope spatial Hubble.

Matière noire

La matière noire présente dans les amas de galaxies – et plus largement dans l’Univers –, a été découverte aux environs des années 1960. Une preuve claire de son existence a été rapportée par Fritz Zwicky, un astronome suisse qui a essayé de mesurer la masse des amas de galaxies en faisant une analyse de la vitesse des galaxies autour du centre des amas. Il en a déduit que la masse de l’amas devait être bien supérieure à la somme des masses individuelles des galaxies le composant. D’où venait la différence ? Elle provient de la présence de la matière noire, une substance qui n’émet pas de radiation mais qui produit des effets gravitationnels mesurables.

L’Univers accélère

Il y a une dizaine d’années, un pas décisif a été fait dans la compréhension de l’Univers. Sa composition finale a été déterminée quand on a démontré qu’il accélérerait. Cela ne peut s’expliquer qu’en postulant l’existence d’une force de pression « répulsive » : on l’a appelée énergie noire, à ne pas confondre avec matière noire. Aujourd’hui, grâce au lancement de satellites comme WMAP ou Planck, nous savons que nous habitons dans un univers comprenant environ 5 % de matière ordinaire visible, environs 27 % de matière noire et une énorme quantité d’énergie noire, 68 %. Beaucoup d’expériences sont en train d’être élaborées pour comprendre la nature de cette force, dont beaucoup d’aspects sont encore inconnus.

Composition de l’Univers à partir des dernières mesures du satellite Planck. Begoña Ascaso, Author provided

Quant aux amas des galaxies, ils sont des objets d’étude très intéressants. Ce sont tout d’abord des sortes de laboratoires de galaxies où beaucoup d’entre elles sont concentrées avec une grande densité. Les amas sont par ailleurs très riches en galaxies rouges. Elles sont caractérisées par une forme plutôt elliptique et peu de gaz. Ces galaxies évoluent avec le temps d’une façon très différente des galaxies isolées, hors des amas. Quand on observe les plus âgées, on découvre que leurs propriétés sont complètement différentes par rapport à celles des plus jeunes. C’est pour ça qu’on considère les amas comme des régions idéales pour étudier l’évolution des galaxies à travers le temps.

Outils cosmologiques

De plus, les amas de galaxies sont des outils cosmologiques. C’est-à-dire qu’ils nous donnent des informations très importantes sur la formation et l’évolution de l’Univers comme, par exemple, la description de la nature de l’énergie noire ou la façon par laquelle la matière a été créée. Pour les utiliser dans ce sens, il faut développer des techniques de détections et de mesurer des masses très sophistiquées.

En raison des différents composants des amas de galaxies, on peut détecter et mesurer leurs masses en utilisant différentes « lunettes » ou longueurs d’onde qui nous permettent de mieux observer chacune des composantes individuellement. Par exemple, pour essayer de détecter la lumière des galaxies des amas, on choisira un télescope avec des « lunettes optiques » ou des « lunettes infrarouges ». Ces observations nous apporteront beaucoup d’information sur la composition stellaire de la galaxie, son âge et sa teneur en métaux. On utilisera ces propriétés pour chercher des groupes des galaxies avec des caractéristiques similaires.

On pourrait également regarder à travers d’un télescope à rayons X. Dans ce cas, on pourrait observer le gaz chaud – aux températures supérieures à dix millions de kelvin – à l’intérieur des amas. Si on arrive à scruter avec cet outil une grande partie du ciel, comme la future expérience eROSITA le fera dans quelques années, on observera des taches étendues de gaz qui correspondent aux amas.

Les caméras de la future expérience eROSITA pour scruter les galaxies lointaines. Max-Planck-Institute for Extraterrestial Physics

Il y a d’autres techniques qui nous permettent de savoir qu’il existe un amas à tel ou tel endroit de l’Univers. Elles utilisent l’effet de lentille produit par la grande quantité de matière noire qui compose les amas et produisent des déformations dans la forme des galaxies. Pour être capable d’identifier un amas, il faut donc avoir des observations à différentes longueurs d’onde et les combiner avec des algorithmes mathématiques spécialisés.

Bienvenu au zoo des amas de galaxies

Dans l’Univers connu, il existe une grande variété d’amas de galaxies. D’un côté, il y a des amas très pauvres en galaxies, qu’on appelle groupes de galaxies. L’exemple le plus simple est notre groupe local, formé par nos galaxies : la Voie lactée, la galaxie d’Andromède, la Galaxie du triangle et quelques galaxies naines. D’un autre côté, il y a des cas extrêmes, comme l’amas de galaxies « El Gordo » qui est l’amas le plus massif jamais découvert. Il existe également des amas très curieux, comme le « Bullet Cluster » qui est le résultat de la fusion de deux amas dans le passé, ou des amas très lointains appelés « proto-amas », très difficiles à détecter dû à leur éloignement et à leurs propriétés différentes.

Même si pendant les dernières 50 années on a beaucoup appris sur les amas, il faut continuer à les étudier puisqu’ils ont encore beaucoup plus d’informations à nous livrer. Dans les prochaines années, des relevés astronomiques vont être effectués qui nous permettront d’avoir d’énormes échantillons de centaines de milliards de ces objets célestes. Entre autres, le projet européen spatial Euclid, va nous apporter des données très utiles pour déchiffrer avec certitude le comportement des amas et de l’Univers.