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Situé dans l’univers lointain, cet amas de galaxies en devenir, aussi appelé proto-amas, produit des étoiles à un rythme effréné, et remet en question les modèles actuels de formation des galaxies.
Le taux de formation d’étoiles au sein des galaxies contenues dans ce proto-amas est bien trop élevé pour correspondre aux modèles actuels de formation des galaxies.
En astrophysique, regarder loin signifie regarder dans le passé. Les scientifiques sondent alors l’univers lointain afin de comprendre son évolution, de son début jusqu’à aujourd’hui. C’est ce qu’ont fait plusieurs équipes de chercheurs en découvrant une superstructure qui date de la jeunesse de l’univers, alors qu’il n’était âgé que d’environ trois milliards d’années. Appelée aussi "proto-amas", cette superstructure qui contient des milliers de galaxies deviendra à l’avenir un amas de galaxies, tel que l’amas de la Vierge dans lequel se trouve notre galaxie.
"Nous observons ce proto-amas tel qu’il était alors que l’univers avait environ 3 milliards d’années. C’est à cette période que nous estimons que la formation d’étoiles était la plus intense, ensuite elle s’est mise à chuter, et aujourd’hui très peu d’étoiles se forment dans les galaxies de l’univers proche", explique à Sciences et Avenir Hervé Dole, astrophysicien à l’Institut d'Astrophysique Spatiale ou IAS (CNRS/Université Paris-Saclay).
Découvert il y a plus de dix ans grâce au satellite européen Planck, sa présence n’a cependant été confirmée que récemment grâce à de nombreuses études complémentaires. Plusieurs équipes internationales l’ont scruté en détails dans deux études publiées dans les revues Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en mars 2021 et Astronomy & Astrophysics en octobre 2021.
"Nous observons ce proto-amas tel qu’il était alors que l’univers avait environ 3 milliards d’années. C’est à cette période que nous estimons que la formation d’étoiles était la plus intense, ensuite elle s’est mise à chuter, et aujourd’hui très peu d’étoiles se forment dans les galaxies de l’univers proche", explique à Sciences et Avenir Hervé Dole, astrophysicien à l’Institut d'Astrophysique Spatiale ou IAS (CNRS/Université Paris-Saclay).
Découvert il y a plus de dix ans grâce au satellite européen Planck, sa présence n’a cependant été confirmée que récemment grâce à de nombreuses études complémentaires. Plusieurs équipes internationales l’ont scruté en détails dans deux études publiées dans les revues Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en mars 2021 et Astronomy & Astrophysics en octobre 2021.
C’est grâce aux données recueillies par le satellite Planck, développé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA), et lancé en mai 2009 pour sonder la jeunesse de l’univers, que ce proto-amas a été découvert. En service jusqu’en 2012, mais avec des résultats encore publiés aujourd’hui, il a notamment permis de cartographier avec une précision extrême le fond diffus cosmologique, la première lumière de l’univers émise seulement 380.000 ans après le Big Bang.
"Tout a commencé en 2009 avec les observations effectuées par Planck. Grâce à ses données, nous avons identifié 2.000 potentielles structures de galaxies. Planck possède une sensibilité peu élevée pour les sources ponctuelles car il a été conçu et optimisé pour étudier le fond cosmologique. Du coup, s’il observe un point brillant, c’est qu’il est vraiment très lumineux", détaille Hervé Dole, qui a participé à la rédaction des deux études.
Par la suite, la spectroscopie a fait le reste. Cette technique permet de décomposer la lumière qui nous parvient, afin d’en déduire l’objet qui en est à l’origine et sa distance, comme l’explique Hervé Dole. "Parmi toutes les longueurs d’onde que l’on pouvait observer, certaines en particulier correspondent à l’émission des poussières des galaxies chauffées par les jeunes étoiles en formation, de l’ordre de la centaine de microns (un micron équivaut à un millionième de mètre). Ainsi pour repérer une galaxie, il faut trouver un point très lumineux qui correspond à ce pic d’émission. Restait ensuite à distinguer ce qui était un éventuel amas de galaxies de ce qui était en fait plusieurs galaxies éloignées les unes des autres mais alignées fortuitement sur nos images. Seule la spectroscopie permet d’y répondre, car elle permet d’évaluer à quelle distance se trouve l’objet qu’on observe. Nous avons alors identifié deux sous-structures, deux proto-amas qui vont devenir dans des milliards d’années un gigantesque amas similaire à l’amas de la Vierge".
Baptisée PHz G237.01+42.50 ou G237 en abrégé, cette gigantesque structure astrophysique évoluera dans le futur en un superamas de galaxies, lorsque les proto-amas qui la composent se seront rapprochés par gravitation au point de fusionner entre eux. D’après les prédictions, sa masse finale atteindra plus de 5.1014 masses solaires, soit 500 millions de millions de masses solaires ! Une masse gigantesque comparable à celle de l’amas dans lequel notre galaxie se trouve, l’amas de la Vierge. Composés de milliers de galaxies, de gaz chauds et de matière noire, ces amas représentent les plus grandes structures observables dans l’univers. Comprendre la manière dont ils se comportent permet aux scientifiques de parfaire les modèles cosmologiques actuels.
Mais le taux de formation d’étoiles mesuré dans les galaxies qui composent G237 par l’équipe d’Hervé Dole atteint des valeurs bien trop élevées pour correspondre à la description actuelle de la formation des superamas de galaxies, avec un taux de plusieurs milliers de masses solaires par an. "Dans les galaxies, il y a deux principales sources d’énergie lumineuse : la formation d’étoiles et le trou noir supermassif qui se trouve au centre, dans le cas des galaxies actives. C’est la formation d’étoiles que nous avons utilisée. Les nuages moléculaires dans lesquels les étoiles se forment émettent dans l’infrarouge. Ainsi, plus la formation stellaire est active, plus le signal lumineux mesuré est intense. C’est comme ça que nous avons pu calculer un taux de formation d’étoiles très élevé", détaille Hervé Dole.
Les modèles actuels se basent sur des données par nature incomplètes, car de tels objets astrophysiques sont assez difficiles à observer, et celui-ci pourrait bien aider à les améliorer, comme l’explique Hervé Dole. "Notre découverte ne remet pas en cause le modèle cosmologique standard, qui décrit l’évolution de l’univers depuis le Big Bang. En revanche, dans ce modèle, il existe de nombreuses subtilités, notamment dans la manière dont les galaxies se forment. C’est cette partie que notre étude questionne. Pour la suite, il va falloir accorder les modèles des simulateurs pour qu’ils tiennent compte de notre dernière mesure. Le lancement imminent du James Webb Space Telescope et le projet européen Euclid devraient permettre de trouver d’autres objets similaires G237, donc d’apporter plus de réponses sur la formation des galaxies", espère le chercheur.
Galaxie Fond diffus cosmologique
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