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Amas de galaxies A370 vu par Hubble. NASA, ESA/Hubble, HST Frontier Fields, CC BY-SA

Découverte d’une nouvelle superstructure de galaxies lointaines : les dessous d’une enquête de 10 ans

Qu’est-ce qu’une découverte en astrophysique ? Les premiers résultats préliminaires, ou la confirmation finale ? Tout cela à la fois ?

Cas pratique : nous venons de découvrir une nouvelle structure de galaxies lointaines avec des observations de télescopes à Hawaii et en Arizona.

Cet ensemble de galaxies jeunes est observé lorsque l’univers n’était âgé que de 3 milliards d’années. Nos calculs montrent qu’elle est destinée à évoluer vers une superstructure très massive. Plus surprenant, cette structure de galaxies questionne nos modèles puisque les taux de formation d’étoiles observés n’étaient pas prédits à ce niveau…

Cette enquête scientifique presque sous forme d’une aventure a commencé il y a plus d’une décennie avec des observations depuis l’espace.

Histoire de l’univers en deux paragraphes

Les grandes lignes de l’histoire de l’univers semblent globalement comprises par les scientifiques qui ont développé le « modèle cosmologique de concordance » (ou modèle du Big Bang en simplifié) qui est en accord avec de très nombreuses observations et a un fort pouvoir prédictif ; cependant de nombreuses questions demeurent, comme la nature (et l’existence même) de la matière noire ou de l’énergie sombre, les mécanismes physiques à l’œuvre lors des premiers instants, l’origine des toutes premières étoiles et galaxies, les propriétés de la gravitation, ou encore la persistance de certaines tensions entre des mesures qui ne s’accordent pas complètement. Ainsi, de nouvelles observations plus précises et des développements théoriques plus poussés sont nécessaires pour faire progresser ces questions.

Dans ce cadre de pensée conforté par des mesures précises, l’univers est en expansion depuis 13,8 milliards d’années en se refroidissant, l’hydrogène a été synthétisé durant les trois premières minutes, la lumière s’est découplée de la matière ordinaire (dite baryonique) vers 370 000 ans en produisant la lumière fossile, les premières étoiles et galaxies sont probablement apparues avant 400 millions d’années, et depuis les grandes structures se sont formées et ont évolué pour donner aujourd’hui des galaxies complexes situées pour la plupart dans d’immenses amas de galaxies eux-mêmes situés dans des super-amas de galaxies.

l’amas de galaxies A370. NASA, ESA/Hubble, HST Frontier Fields

Parmi les nombreuses manières de mieux retracer l’histoire de la structuration de l’univers, suivre l’évolution des galaxies depuis l’univers très lointain en les observant est une piste explorée depuis longtemps, toujours riche et fructueuse en résultats. Depuis peu se dessine un champ d’études assez proche et émergent, celui d’essayer de comprendre comment se forment et évoluent non pas les galaxies, mais ici les amas de galaxies qui sont devenues les plus grandes structures de l’univers.

Les amas de galaxies

Les amas de galaxies sont un ensemble de milliers de galaxies, de gaz chaud et… de 80 % de matière noire (cette matière qui gravite mais n’est pas observable, actuellement hypothétique mais dont la présence est cohérente en astrophysique), pesant environ 1014 masses solaires au total. Ce sont des structures passionnantes à comprendre, puisqu’elles peuvent nous renseigner sur les valeurs de certains paramètres cosmologiques (comme la densité de matière noire dans l’Univers) ainsi que sur de nombreux processus physiques comme l’effondrement gravitationnel (le fait que la matière soit attirée par une zone plus dense par attraction gravitationnelle) dans les halos les plus massifs, le lien entre matières noire et baryonique, les échanges d’énergie aux grandes échelles, ou l’évolution des galaxies en milieu dense.

Or les « parents » de ces amas (les progéniteurs) sont quasiment inobservés dans le passé, car très difficilement détectables, alors que l’on souhaiterait pouvoir retracer leur parenté, leur passé et ainsi comparer les données aux prédictions des modèles et des simulations. Dès lors, les équipes d’astrophysiciens redoublent d’efforts et de ruses pour observer et essayer d’identifier ces élusifs amas de galaxies lointains, que l’on appelle protoamas de galaxies.

Pourquoi les protoamas de galaxies sont-ils difficilement détectables ? À moins d’avoir un relevé spectroscopique qui donne précisément les distances et vitesses des galaxies, ou d’utiliser une méthode détectant le gaz chaud (en rayons X ou dans le millimétrique), les images du ciel seules, quoique précises, ne permettent pas de différencier les galaxies appartenant à un amas ou protoamas des galaxies en avant-plan ou arrière-plan : les images montrent de nombreuses galaxies sans qu’il soit aisé de déterminer avec précision s’il existe un protoamas ou – s’il existe – quelles en sont les galaxies membres.

Que croit-on savoir et que sait-on des protoamas de galaxies ?

Les protoamas constituent donc les pièces manquantes du puzzle permettant de reconstituer avec précision la formation des grandes structures de l’univers.

Exemple d’un modèle d’évolution d’un protoamas de galaxies (à droite) vers un amas de galaxies (à g) (fig 13 de Shimakawa et coll., 2018). Shimakawa et coll., 2018

Puisque les modèles de formation des amas de galaxies proches semblent assez précis quand on les compare aux données disponibles, la communauté scientifique les utilise logiquement pour prédire ce que pourraient être les protoamas de galaxies dans l’univers jeune. On croit donc savoir que les protoamas de galaxies pourraient se former assez tôt (avant le premier milliard d’années) et abriter déjà les galaxies les plus massives de leur génération. Cependant, plusieurs protoamas au final formeront un amas de galaxies par fusions successives. Il n’y a donc pas un seul protoamas progéniteur d’un amas de galaxies, mais bien plusieurs, ce qui rendrait leur détection encore plus difficile. Nous pensons également que les galaxies des protoamas subissent une phase de formation d’étoiles très intense et assez limitée dans le temps. Concomitamment, de grands réservoirs de gaz baryonique froid devraient être présents dans ces protoamas entre les galaxies afin d’alimenter cette formation stellaire très soutenue.

un protoamas de galaxies détecté en 2016. Wang et coll., 2016, A&A

Plusieurs protoamas de galaxies ont déjà été détectés et confirmés comme tels. L’un des plus lointains se situe lorsque l’univers avait environ 800 millions d’années et quelques dizaines correspondent à des époques entre 1,2 et 3,3 milliards d’années. La plupart contiennent des galaxies déjà très massives et « sèches » (ne formant plus d’étoiles), pas vraiment en accord avec les prédictions. Une équipe en 2018 a élaboré un scénario de formation des amas sur la base de 3 protoamas de galaxies. Bien que ce modèle soit pertinent, il apparaît que le petit nombre de protoamas et le manque de diversité limitent actuellement notre compréhension.

La découverte du protoamas de galaxies G237

C’est dans ce contexte que « notre » protoamas de galaxies, répondant au doux nom raccourci de G237 (image ci-dessous), apporte une nouveauté. D’abord, il est confirmé par de belles observations effectuées à Hawaii et en Arizona pour être à une époque où l’Univers avait 3 milliards d’années (redshift z=2,16). C’est un imposant travail d’arriver à cette confirmation avec plusieurs dizaines de galaxies scrutées, dirigé par mes chers collègues Dr Yusei Koyama (Japon et Hawaii) et Dr Mari Polletta (Italie et France).

Région du ciel montrant le proto-amas de galaxies G237 lorsque l’Univers était âgé d’environ 3 milliards d’années. ESA/Herschel and XMM-Newton ; NASA/Spitzer ; NAOJ/Subaru ; ESO/VISTA ; Polletta et coll., Koyama et coll.

Cette époque cosmique correspond au maximum de densité de formation d’étoiles dans l’Univers. Ensuite, des observations spatiales précédentes nous permettent de mesurer le taux de formation d’étoiles. Surprise : le taux est extrême, plusieurs milliers de masses solaires par an : les galaxies forment tellement d’étoiles que nos modèles et simulations peinent à expliquer ce rythme effréné. Enfin, en prédisant la masse qu’il acquerra lorsque G237 sera devenu un « vrai » grand amas de galaxies, nous avons calculé qu’il pèserait 5 ou 6 fois 1014 masses solaires, soit l’équivalent du superamas de galaxies auquel notre Galaxie, la Voie lactée, appartient. Tant d’informations dans un protoamas a priori standard !

Qu’a t-on vraiment découvert ?

Les deux articles scientifiques que nous venons de publier en 2020 et 2021 relatant cette découverte, concernent la confirmation que G237 est bien un protoamas de galaxies. Mais comment avons-nous choisi cet endroit pour pointer les plus grands télescopes du monde ? Pas par hasard, évidemment.

les candidats protoamas de galaxies découverts par Planck puis Herschel. ESA and the Planck Collaboration/H. Dole, D. Guéry & G. Hurier, IAS/University Paris-Sud/CNRS/CNES

L’histoire commence en 2009, avec le lancement des missions spatiales européennes Planck et Herschel. Avec Planck, nous avions découvert environ 2000 candidats protoamas de galaxies réparties sur tout le ciel, et avec Herschel et Spitzer (de la NASA), j’ai moi-même dirigé le programme de premières études plus poussées sur environ 200 de ces candidats en infrarouge. Leur particularité : ils devraient former des quantités impressionnantes d’étoiles, vus leurs flux intenses en infrarouge. De sorte qu’en 2015, si nous n’avions pas de confirmation, nous avions de très forts soupçons argumentés quant à la nature de protoamas de la majorité de ces candidats. Mais cela restait au stade d’hypothèse.

De nombreuses observations depuis l’espace en infrarouge et au sol avec des télescopes dans plusieurs longueurs d’ondes, plusieurs thèses de doctorat, de nombreux stages d’étudiants, pas mal d’interrogations, de reculs parfois, de propositions de télescopes et d’ANR soumises (et rarement acceptées), de tentatives infructueuses, de discussions et d’analyses plus tard, nous voici avec cette première confirmation en main, avec à la clef une surprise quant au désaccord entre observations et modèles.

La découverte est donc un long processus, commencé bien avant le lancement de Planck et de Herschel puisqu’il y avait eu des prévisions de détectabilité en amont, durant une ou plusieurs décennies. Il n’est pas terminé car il faut résoudre ce désaccord, obtenir d’autres confirmations, en préparant la venue de données exquises qui viendront des missions spatiales Webb (lancé en décembre 2021) et Euclid (lancé en 2023, mission ESA). Une belle aventure haletante !

Plusieurs centaines de candidats protoamas de galaxies observés par Herschel. ESA/Herschel/SPIRE/Planck consortia and H. Dole, D. Guéry, IAS, CNRS, Université Paris-Saclay

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