Des filaments de matière noire étudiés pour la première fois en 3D

Communiqué de presse

Jeudi, 18 octobre 2012

Une équipe internationale d’astronomes1 dirigée par Mathilde Jauzac, du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM-CNRS/Université d’Aix-Marseille), a réalisé la première étude en trois dimensions d’un filament cosmique de matière sombre. En utilisant des données du télescope spatial Hubble (ESA/NASA)2, elle a pu découvrir que ce filament, inclus dans la toile cosmique, nourrit l’un des amas de galaxies les plus massifs de l’Univers et s’étend sur plus de 60 millions d’années-lumière. En extrapolant la très grande masse mesurée de ce filament à l’ensemble de la « toile cosmique », cette étude permet d’estimer que ces structures devraient contenir plus de la moitié de la masse totale de notre Univers.

La théorie du Big Bang prédit que les fluctuations de matière aux premiers instants de notre Univers sont responsables de la condensation de la majorité de la matière et que celle-ci se concentre en un enchevêtrement de filaments. Cette hypothèse a été validée par les simulations numériques : elles suggèrent que notre Univers est structuré en une « toile cosmique » de filaments à l’intersection desquels se situent des amas de galaxies très massifs. Ces filaments, très étendus et très diffus, sont principalement constitués de matière sombre3.
Alors qu’un filament a été détecté pour la première fois en juillet 20124, l’équipe internationale dirigée par Mathilde Jauzac vient à son tour d’analyser un autre filament cosmique, mais cette fois en trois dimensions : une prouesse d’autant plus remarquable que ces filaments sont extrêmement étendus et très diffus, ce qui les rend très difficiles à détecter. Cette innovation5 a permis de déterminer la densité volumique du filament et de le comparer aux simulations.
Pour cela, l’équipe a combiné des images haute-résolution de l’amas de galaxies MACSJ0717 et du champ voisin provenant du télescope spatial Hubble, avec des images provenant des télescopes au sol Subaru (NAO) et Canada-France-Hawaii (CFHT), puis avec des données spectroscopiques des galaxies de l’amas provenant des observatoires Keck et Gemini.

 


Image par le télescope spatial Hubble de l'amas MACS J0717 © ESO

Cette technique6 a notamment permis à l’équipe de localiser des milliers de galaxies au sein du filament, et de mesurer le déplacement de la plupart d’entre elles. C’est en combinant les positions et les vitesses de toutes ces galaxies que les astronomes ont pu révéler la forme du filament en trois dimensions, ainsi que son orientation : il s’étend sur près de 60 millions d’années lumière de long derrière MACSJ0717, quasiment aligné avec notre ligne de visée. Il s’agit donc d’une structure exceptionnelle, même aux échelles astronomiques : si la masse mesurée peut-être considérée comme représentative des filaments proches d’amas géants, alors les filaments cosmiques devraient contenir plus de la moitié de la masse de notre Univers, bien plus que ne le prévoyaient les théoriciens.
Le futur télescope spatial, le NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope7, sera un outil puissant et essentiel pour détecter ces filaments cosmiques, grâce à sa très haute résolution.

Note(s): 
  1. L’équipe internationale d’astronomes qui a mené cette étude est composée de : Mathilde Jauzac (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, France, et University of KwaZulu-Natal, Afrique du Sud), Eric Jullo (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille et Jet Propulsion Laboratory, USA), Jean-Paul Kneib (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille), Harald Ebeling (University of Hawaii, USA), Alexie Leauthaud (University of Tokyo, Japon), Cheng-Jiun Ma (University of Hawaii), Marceau Limousin (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille), Richard Massey (Durham University, UK) et Johan Richard (Observatoire de Lyon, France).
  2. Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre l’ESA et la NASA.
  3. La matière sombre, qui représente à peu près les trois quarts du contenu en matière de notre Univers, ne peut être observée directement car elle n’émet pas ni ne réfléchit la lumière. De plus elle peut passer au travers d’autres types de matière, sans friction (on dit qu’elle n’est pas collisionnelle). Cette matière interagit uniquement par gravité et sa présence peut être détectée par ses effets gravitationnels, par exemple ses effets sur la vitesse de rotation des galaxies, ou encore son effet sur la trajectoire des rayons lumineux, en accord avec la théorie de la Relativité Générale.
  4. Nature, J. Dietrich et al. « A filament of dark matter between two clusters of galaxies » le 4 Juillet 2012.
  5. La lumière capturée par les télescopes contient des informations sur l’objet qui l’a émise. Une application importante de ce phénomène est l’étude du décalage spectral vers le rouge de l’objet (c’est à dire la façon dont la lumière émise par cet objet a de rougir à cause de l’expansion de l’Univers) qui peut être utilisée afin de déterminer la distance de l’objet. L’estimation des distances à partir de la brillance relative des couleurs des galaxies mesurée sur les images est faite en utilisant la technique dite des « redshifts » photométriques. Bien que la précision sur la distance estimée soit limitée, c’est une technique relativement rapide lorsque l’on possède un grand nombre de galaxies, et qui fonctionne relativement bien sur les objets faibles.
  6. Les spectromètres analysent les propriétés détaillées de la lumière émise par un objet. Dans cette étude, les spectres obtenus dans l’échantillon de galaxies observées ont permit d’obtenir des informations détaillées sur le mouvement des objets le long du filament.
  7. Le télescope spatial James Webb (JWST) sera le successeur du télescope spatial Hubble, dont il est prévu qu’il prenne la relève en 2018. C’est une mission dirigée par la NASA à laquelle participe l’Europe, sous la responsabilité de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), et le Canada, à travers l’Agence Spatiale Canadienne (CSA). Le télescope aura une surface collectrice 7 fois plus grande que le HST et sera consacré à l’observation de l’Univers dans le rayonnement infrarouge (de 1 à 27 microns de longueurs d’onde).
Contact(s):
  • Mathilde Jauzac, LAM (CNRS/Université d'Aix-Marseille) & Université de KwaZulu-Natal (Af. du sud)
    mathilde [dot] jauzac [at] gmail [dot] com, +27 78 185 6817
  • Jean-Paul Kneib, LAM (CNRS/Université d'Aix-Marseille)
    jean-paul [dot] kneib [at] oamp [dot] fr, 04 91 05 59 13
  • Eric Jullo, LAM (CNRS/Université d'Aix-Marseille)
    eric [dot] jullo [at] oamp [dot] fr, +33 491 084 215
  • Johan Richard, CRAL - Observatoire de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard/ENS Lyon)
    johan [dot] richard [at] univ-lyon1 [dot] fr, 04 78 86 83 81

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