Ruprecht 147, ce nom ne vous dit peut-être rien... et pourtant, cet amas d'étoiles situé à 1000 années-lumière, également catalogué sous le nom NGC 6774, est sans doute l'amas d'étoiles le plus ancien situé à proximité du Soleil. Une équipe d'astronomes s'est penché sur cet amas un peu oublié avec les données astrométriques de Gaia, et montre qu'il est en train de se dissoudre à grande vitesse.
L'étude détaillée de l'amas de galaxies jeune le plus massif connu à ce jour vient d'être rendue publique lors de la 227ème réunion de l'American Astronomical Society qui s'est tenue toute la semaine en Floride. L'amas IDCS J1426.5+3508 (ou IDCS 1426 en raccourci) a une masse record d'environ 300 000 milliards de masses solaires (dont 90% de matière noire...).
IDCS 1426 se situe à une distance de près de 10 milliards d'années-lumière, l'Univers n'était alors âgé que de 3,8 milliards d'années. C'est l'amas le plus massif jamais observé à cette époque cosmique. IDCS 1426 a d'abord été découvert grâce au télescope spatial Spitzer en infra-rouge, puis il a été scruté avec le télescope spatial Hubble ainsi qu'avec le télescope Keck hawaïen pour en déterminer la distance. Puis ce fut au tour du réseau de radiotélescopes californien CARMA (Combined Array for Millimeter Wave Astronomy) d'apporter des données en ondes millimétriques indiquant une masse de l'amas gigantesque. Enfin, pour confirmer les multiples indices déjà engrangés, les astrophysiciens ont observé IDCS 1426 dans le domaine des rayons X avec Chandra X-Ray Observatory, l'autre télescope spatial star de la NASA.
Chandra vient de confirmer la masse énorme de l'amas, 300 000 milliards de masses solaires, ainsi que l'existence d'une proportion de 90% de cette masse qui n'est pas de la matière ordinaire. Il contient ainsi l'équivalent de 3000 galaxies comme la nôtre...
Image composite de IDCS 1426 : Rayons X en bleu (NASA/CXC/Univ of Missouri/M.Brodwin et al); Visible en jaune (NASA/STScI) et Infra-rouge en rouge (JPL/CalTech)
La présence d'un aussi gros amas de galaxies à cette époque de l'Univers n'est pas sans poser quelques questions aux astrophysiciens. Mark Brodwin, de l'Université du Missouri qui a conduit cette étude, précise : "Etant l'une des structures les plus massives à se former dans l'Univers, cet amas donne un challenge pour les théories qui tentent d'expliquer comment évoluent les amas et les galaxies." En effet, de part leur grandes dimensions, on estime généralement que ces structures doivent prendre plusieurs milliards d'années pour se former. Et Brodwin d'ajouter : "Nous arrivons vraiment aux limites de ce que nous comprenons avec cette découverte...".
La masse de l'amas a été déterminée par trois méthodes indépendantes : tout d'abord par l'évaluation de la masse nécessaire pour assurer le confinement du gaz chaud au sein de l'amas observé en rayons X par Chandra, ensuite par les traces laissées par le gaz sur le fond diffus cosmologique (par effet Sunyaev-Zel'dovich), et enfin par l'effet de lentille gravitationnelle produit par l'amas sur la lumière de galaxies situées en arrière-plan.
D'autres amas de galaxies massifs avaient été découverts dans le passé, mais jamais avec une telle combinaison de masse et de jeunesse. Les astrophysiciens ont observé dans les images en rayons X la présence de zones d'émission beaucoup plus intense vers le centre de l'amas mais pas exactement au centre. Ils pensent que ce cœur plus dense pourrait être le résultat de la fusion avec un autre amas de galaxies qui aurait pu se passer 500 millions d'années auparavant. Michael McDonald, du MIT, co-auteur de l'étude publiée dans the Astrophysical Journal, estime que les fusions d'amas qui devaient être courantes à cette époque cosmique, ont dû jouer un rôle important dans la formation accélérée de IDCS 1426.
Même si elle ne remet pas en cause fondamentalement le modèle cosmologique, la découverte de cet amas ultra-massif dans l'Univers âgé de moins de 4 milliards d'années devrait permettre aux astrophysiciens d'affiner grandement leurs modèles décrivant l'évolution des plus grandes structures de l'Univers.
Source :
IDCS J1426.5+3508: The Most Massive Galaxy Cluster at z>1.5
Quelque chose ne tourne pas rond dans le modèle standard de la cosmologie actuel, le modèle que l'on nomme LambdaCDM, qui considère que l'Univers est en expansion accélérée et contient 26% de matière noire. Quelque chose ne tourne pas rond et c'est une bonne nouvelle.
Carte du CMB par Planck (ESA)
Une nouvelle étude venant de paraître sous la plume de cosmologistes français vient confirmer une anomalie importante concernant la masse des amas de galaxies. Les amas de galaxies sont des grandes structures cosmiques qui regroupent des dizaines voire des centaines de galaxies. Ils ont pour origine, pense-t-on, les fluctuations de densité qui existaient dans l'Univers primordial, et qui se voient toujours dans le rayonnement fossile du fond diffus cosmologique, exploré en détail ces dernières années par le satellite Planck.
L'étude précise de ces petites fluctuations que l'on voit dans le fond diffus cosmologique (le CMB) permet aux cosmologistes de déduire de nombreux paramètres de l'Univers, et parmi ceux-ci on peut prédire quelle doit être la densité des amas de galaxies, c'est à dire le nombre d'amas de galaxies par unité de volume d'Univers.
Parallèlement à ces prédictions théoriques basées sur des observations du CMB, on parvient à mesurer la densité réelle des amas de galaxie par l'observation. Et il existe plusieurs moyens d'observation pour faire cette mesure. Il se trouve que l'une d'elles peut être effectuée avec le même satellite qui mesure les fluctuations du CMB, mais cette fois-ci, il mesure les perturbations provoquées sur le rayonnement de fond par toutes les grandes structures qui se trouvent en avant-plan.
Le principe utilisé dans cette mesure est fondé sur l'effet Sunyaev-Zel'dovich (souvent raccourcit en effet SZ). Il s'agit du résultat de l'interaction d'électrons de grande énergie sur les photons du CMB par diffusion Compton inverse (les électrons transfèrent une partie de leur énergie aux photons micro-ondes qui gagnent de l'énergie en changeant de direction). L'effet SZ permet ainsi de cartographier la densité des électrons et par là-même les grandes densités de matière, notamment de gaz chaud, qui peuple les amas de galaxie... Et ces amas de galaxies et leur gaz chaud peuvent également être observés plus directement par l'observation en rayons X.
Masses des amas de galaxies nécessaires pour que l’abondance d’amas de galaxie soit compatible avec le modèle cosmologique standard (ΛCDM), en fonction des masses estimées par équilibre hydrostatique à partir des observations en rayons X . La ligne rouge marque l’ajustement des masses et montre que les masses du modèle standard sont 70% supérieures aux masses déduites des observations directes en rayons X (Institut d'Astrophysique Spatiale/CNRS/UPSud)
On a donc d'un côté une prédiction sur le nombre d'amas de galaxies issue de l'observation du CMB et du modèle cosmologique LambdaCDM et de l'autre des observations du nombre d'amas avec deux techniques très différentes.
Pour pouvoir comparer les prédictions et les observations du nombre d'amas, il faut prendre en compte le paramètre de la masse des amas. Or la masse des amas peut être évaluée par des observations en rayons X et a été mesurée dans le passé. Les chercheurs français, à partir des données de Planck sur l'effet SZ et des valeurs de masse acquises par l'observation en rayons X avaient montré en 2014 que le nombre d'amas était beaucoup plus faible que la prédiction issue du modèle LambdaCDM construit à partir du CMB, et pas qu'un peu ! Le nombre d'amas est entre 3 et 4 fois plus faible que ce qui est prédit.
L'équipe française menée par Stéphane Ilic du Centre de Physique Théorique à Marseille (CNRS/Université Aix-Marseille) s'est à nouveau penché sur cette forte tension comme disent les chercheurs pour ne pas employer de termes trop durs. Ils ont donc réévalué la masse des amas à partir des données d'observation en rayons X via la relation température-masse des amas, et ont regardé ensuite comment il faudrait modifier cette valeur de masse pour que, une fois injectée dans le modèle, la prédiction et les observations concordent quant au nombre d'amas observés. La réponse est sans appel : les amas devraient avoir une masse 1,70 fois plus grande que celle qui est mesurée !
Cette conclusion laisse songeur plus d'un astrophysicien et d'un cosmologiste, car elle vient tout a fait conforter l'écart sur le nombre d'amas qui était obtenu en 2014. Et quand on parle de masse ici, y est déjà incluse bien sûr la fameuse matière noire.
Quelque chose ne tourne donc pas rond, soit dans les amas, soit dans le CMB ou soit dans le modèle LambdaCDM. La masse des amas est-elle vraiment sous-estimée à ce point et pourquoi ? La matière noire est-elle encore plus présente dans les amas ? Une nouvelle physique est-elle à l'origine des écarts observés ? Le modèle LambdaCDM cache-t-il une faille importante ?
Une des clés pour tenter de comprendre ce qui cloche sera de mesurer la masse des amas par d'autres méthodes encore différentes, comme par exemple l'effet de lentille gravitationnelle; c'est ce que devrait pouvoir faire le futur télescope Euclid que l'ESA doit lancer aux alentours de 2020. C'est une très bonne nouvelle...
Source :
X-ray galaxy clusters abundance and mass-temperature scaling
S. Ilic, A. Blanchard, M. Douspis,
Astronomy and Astrophysics, 582, A79, (12 october 2015)
