Planck a découvert un proto-amas de galaxies en formation questionnant les simulations cosmologiques

Des télescopes sur Terre ont confirmé les observations du satellite Planck qui laissaient entrevoir l’existence d’un proto-amas de galaxies. Mais elles ont aussi révélé qu’il était le lieu d’un taux de formation d’étoiles spectaculaire, dix-mille fois plus élevé que celui de notre Voie lactée, que l’on ne comprend pas facilement avec les modèles de la cosmologie actuels décrivant la croissance des galaxies.

On discute de l’origine des galaxies dans le cadre des modèles cosmologiques relativistes depuis au moins les années 1930 et l’histoire à ce sujet est très riche et très intéressante comme on peut s’en convaincre en lisant le célèbre ouvrage du prix Nobel de physique James Peebles : Large-Scale Structure of the Universe.

Basiquement, on fait intervenir des fluctuations de densité initiales dans la matière née pendant le Big Bang et comme toujours, c’est Georges Lemaître qui fut le premier à comprendre dans quelles directions la cosmologie relativiste devait se développer, anticipant bien des résultats modernes. Les zones les plus denses sont instables et vont s’effondrer gravitationnellement. Au début, le phénomène est décrit par des équations simples et on reste dans ce que l’on appelle des approximations linéaires, proches de la physique de Newton. Si ces équations sont faciles à résoudre analytiquement, il arrive un moment où les densités et l’effondrement deviennent si importants qu’il faut résoudre des équations non linéaires, comme dans le cas des écoulements de fluides pour des avions à grande vitesse et cela nécessite des calculs numériques sur ordinateur (voir par exemple à ce sujet Introduction to cosmology de Jayant Narlikar).

Planck et l’origine des galaxies
Les fluctuations de densité s’accompagnaient de fluctuations de températures et elles ont laissé une empreinte dans le fameux rayonnement fossile qui a été étudié et cartographié de façon spectaculaire par le satellite Planck et l’équipe mondiale d’astrophysiciens, les « Planckiens », qui ont participé à cette grande aventure de la noosphère en quête de ses origines. Les lecteurs de Futura connaissaient bien l’une de ces chercheurs, hélas décédée tragiquement, Cécile Renault. Une autre membre des Planckiens, Laurence Perrotto, nous avait longuement parlé du rayonnement fossile.

Planck a confirmé ce que l’on savait déjà depuis des décennies, à savoir que les fluctuations de densité dans la matière connue, déduites de l’étude du rayonnement fossile, étaient trop faibles pour que les galaxies et les amas de galaxies se soient déjà formés. Pour résoudre la contradiction, on peut supposer l’existence d’une composante de matière noire plus importante que la matière connue et qui n’émettant pas de lumière, laisse une trace indirecte plus subtile dans le rayonnement fossile. Trace que l’on a effectivement vue et qui constituent une preuve plutôt très convaincante de l’existence de la matière noire même si tout dernièrement la théorie Mond a marqué un point à ce sujet.

Le modèle cosmologique standard, dont l’un des pionniers est justement James Peebles, fait donc intervenir une composante de matière noire dite froide, car ses particules se déplaceraient à des vitesses faibles tout comme celles d’un gaz froid (la température augmente l’agitation thermique et les vitesses dans un gaz). Cette matière exotique peut s’effondrer bien plus rapidement en donnant d’abord des étoiles puis des galaxies et des amas de galaxies se rassemblant en donnant des grandes structures selon le modèle cosmologique standard avec matière noire, mais aussi une composante exotique supplémentaire que l’on désigne sous le terme d’énergie noire mais qui se traduit plus exactement sous la forme d’une constante cosmologique. Tout ceci est excellemment résumé et exposé dans la vidéo ci-dessous que le lecteur devrait visionner pour aborder la suite de cet article au mieux.

Une formation fiévreuse de nouvelles étoiles
Aujourd’hui, comme l’explique un communiqué du CNRS, une équipe internationale d’astrophysiciens impliquant des chercheurs de l’Université Paris-Saclay, de l’Université de Toulouse III – Paul Sabatier, d’Aix-Marseille Université et de l’Université Claude Bernard de Lyon, confirme avoir plongé dans le passé lointain de l’Univers observable et avoir confirmé une des prédictions du modèle cosmologique standard : l’existence de proto-amas de galaxies en formation. On peut s’en convaincre avec deux publications dans les revues MNRAS et A&A mais que l’on peut trouver en accès libre sur arXiv.

L’existence de ces proto-amas, donc formés de galaxies très jeunes en cours de rapprochement sous l’effet de la gravitation, était déjà prédite notamment par des simulations numériques mais on pensait en voir potentiellement déjà environ 2.000 dans les observations du rayonnement fossile faites par Planck au début des années 2010. Ces proto-amas potentiels étaient bien sûr observés alors que le cosmos devait déjà avoir des milliards d’années.

Les astrophysiciens avaient déjà tenté de confirmer l’existence de ces proto-amas en utilisant les données d’une autre mission célèbre de l’ESA, celle du satellite Herschel. Finalement, en combinant également des observations de plusieurs autres télescopes au sol, le Subaru japonais à Hawaï et le Grand télescope binoculaire (Large Binocular Telescope Observatory) états-unien, situé à 3.267 mètres d’altitude sur le mont Graham, en Arizona, les astrophysiciens peuvent maintenant annoncer l’existence du proto-amas baptisé PHz G237.01+42.50, ou G237 en abrégé. Il est étonnant car il contient quelques galaxies qui forment des étoiles à un taux bien plus élevé que celui de la Voie lactée actuellement (avec environ une masse solaire convertie en étoile chaque année.)

Parmi les chercheurs à l’origine de cette découverte qui concerne un astre vu tel qu’il était environ 3 milliards d’années après le Big Bang, on trouve le Planckien Hervé Dole, astrophysicien à l’IAS (CNRS/Université Paris-Saclay) et co-signataire des deux études disponibles sur arXiv. Il a commenté l’événement dans le communiqué du CNRS mais aussi sur son compte Twitter : « Planck a détecté ces candidats proto-amas depuis l’espace il y a environ une décennie. Leur confirmation et leur étude ont nécessité du temps, de nombreuses observations avec d’autres télescopes et un travail acharné de la part des chercheurs et des étudiants. C’est une grande réussite de voir enfin l’un de ces proto-amas étudié en détail, mais de nombreuses questions restent ouvertes car ils remettent en cause les modèles de leur formation et en partie notre compréhension de la formation des étoiles dans les halos de matière noire les plus massifs de l’Univers lointain. La mission spatiale européenne de cosmologie Euclid, qui devrait être lancée en 2023, devrait permettre d’identifier d’autres structures de ce type, permettant ainsi de dégager des lois plus générales que celles fondées sur quelques cas individuels ».

Hervé Dole a bien voulu répondre aux questions de Futura et son interview fera bientôt suite à cet article. Signalons aussi celui que l’astrophysicien et cosmologiste a écrit et publié tout récemment dans The Conversation France.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/cosmologie-planck-decouvert-proto-amas-galaxies-formation-questionnant-simulations-cosmologiques-94468/

Laisser un commentaire