Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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66 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 La matière noire, moteur de l’évolution Pour vérifier leur compréhension de la formation des structures, les astrophysiciens confrontent en permanence les prédictions de modèles aux observations. Mais cela pose deux problèmes. Les caractéristiques de la distribution initiale de matière noire sont maintenant connues avec assez de précision pour simuler son évolution – sous l'effet de la gravitation dans un Univers en expansion – avec de puissants calculateurs. Il en résulte effectivement une structure à grande échelle semblable à une toile d’araignée. Le premier problème, propre à la simulation, tient à la matière visible. L'intuition suggère qu'elle « suive » la concentration de la matière noire et se structure de façon similaire, mais il est ardu de le démontrer. En effet, la formation des étoiles, des galaxies, et l’évolution du gaz intergalactique au sein des structures de matière noire font intervenir des processus très complexes, difficiles à modéliser (voir Formation des structures de l'Univers : le jeu des modèles, p.68). L'autre problème, observationnel, est évidemment la cartographie de la matière noire réelle. Un véritable défi pour les astronomes… En 2007, une équipe internationale d'astronomes, à laquelle participent des scientifiques du Service d'astrophysique du CEA/Irfu a pourtant publié la première cartographie tridimensionnelle de l'ensemble de la matière, lumineuse et noire, dans une portion du ciel. Il s'agit en l'occurrence du champ COSMOS, une région grande comme environ neuf fois la surface apparente de la Lune. Les astronomes ont utilisé l'effet de lentille gravitationnelle pour Figure 1. Image montrant les trois composantes observées avec le relevé COSMOS : la matière noire (en bleu), la matière lumineuse en rayons X vue par XMM-Newton (en rouge) et les étoiles et galaxies observées en lumière visible avec le télescope spatial Hubble (en blanc). NASA, ESA et R. Massey (California Institute of Technology) mesurer indirectement la distribution de la matière noire à grande échelle (avec le télescope spatial Hubble). La distribution de la matière visible, elle, était mesurée par des instruments au sol, comme le télescope japonais Subaru à Hawaii, le VLT (Very Large Telescope) au Chili et le CF HT (télescope Canada-France-Hawaii), et dans l'espace par l’observatoire XMM-Newton (voir Voyage dans les lumières de l’Univers, p.90) ; figure 1. Pour la première fois, des cartes ont été obtenues pour différentes distances, et donc différents âges de l'Univers. Elles montrent que la distribution de matière noire évolue dans le temps en accord avec les lois de la gravité. Les diverses composantes de la matière visible sont distribuées à l’intérieur de structures définies par la densité de la matière noire. Ces résultats confirment le modèle cosmologique qui prédit que la formation des structures de l’Univers est dominée par la dynamique de la matière noire. Les nœuds de la toile cosmique Le modèle de formation des galaxies et des amas de galaxies, au sein des grandes structures, repose sur le concept d'« effondrement hiérarchique » (voir La grande histoire thermique de l’Univers, p.62). Quand un grumeau de matière devient suffisamment dense, il s’effondre sur lui-même, se découplant de l’expansion (1). Les petites surdensités s’effondrent d’abord, aboutissant à la formation des premières étoiles et galaxies. Les premiers groupes de galaxies apparaissent plus tard, vers un décalage spectral (2) d'environ 2. Depuis cette époque, les amas se forment et grossissent par accrétion continue de matière environnante, et par fusion occasionnelle d'amas entre eux. Les amas de galaxies sont ainsi la manifestation la plus récente de cette formation hiérarchique des structures. Situés au croisement des filaments cosmiques, ce sont les plus grands « objets » de l’Univers, c’est-à-dire les structures les plus massives découplées de l’expansion. Leur composition reflète celle de l’Univers dans son ensemble : 85% de matière noire et 15% de matière visible. Cette dernière est essentiellement constituée de gaz chaud (plusieurs dizaines de millions de degrés) observable en rayonsX. Les galaxies observées en lumière visible forment moins de 3% de la masse totale. Comment les amas eux-mêmes ont-ils évolué ? L’observation en rayons X avec les observatoires modernes tels que XMM-Newton et Chandra a joué un rôle central dans les progrès récents dans ce domaine. XMM-Newton, avec sa très grande surface collectrice, peut détecter et étudier des amas lointains. Une équipe du CEA, dirigeant le (1) L'Univers étant en expansion, les particules et objets s'éloignent tous les uns des autres. Sauf au sein d'un « objet », où la gravitation maintient les parties ensemble malgré l'expansion générale. (2) Puisque l’Univers est en expansion, les sources lumineuses s’éloignent de l’observateur, et leur fréquence détectée semble diminuer avec le temps. Le spectre d’émission d’un objet est donc d’autant plus décalé vers les basses énergies qu’il est éloigné (c’est-à-dire que sa lumière est ancienne). Ce décalage spectral, noté z, donne une mesure de l’âge de l’objet émetteur.
programme « Sondage de la structure à grande échelle avec XMM », a ainsi découvert de nouveaux groupes et amas de galaxies à des distances de plusieurs milliards d'années-lumière. L’amas le plus lointain connu à ce jour, XMMXCS 2215-1738, observé quand l’Univers avait un tiers de son âge actuel, a aussi été découvert avec XMM-Newton. Ces observatoires permettent non seulement de faire des images, c’est-à-dire de cartographier la distribution de densité du gaz, mais aussi de déterminer le spectre d’émission X en chaque point de l’amas, et donc d’établir une carte de température précise. Les astrophysiciens ont ainsi pu calculer comment la pression du gaz diminue du centre à la périphérie de l’amas. Quand ce dernier est à l’équilibre, les forces de gravitation dues à la matière noire contrebalancent la pression du gaz. Obser - vant un échantillon d’amas à l'équilibre, des équipes du CEA et du Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) ont constaté que la distribution de la matière noire s’accorde remarquablement avec les prédictions des simulations numériques de formation des amas. Plus étonnant : ces observations donnent même des informations sur la nature de la matière noire. La distribution est en effet très piquée (étroite) au centre, ce qui exclut les modèles où les particules de matière noire interagissent fortement par des processus autres que la gravitation. Une matière visible… mais incomprise Si la formation et l’évolution des amas en tant que grandes structures de matière noire semblent bien comprises, ce n’est pas le cas pour le com por - tement de la matière visible, beaucoup plus complexe que celui de la matière noire. Les cartes de la température du gaz obtenues avec XMM- Newton et Chandra montrent que certains amas sont bien en train de fusionner (figure 2), conformément au scénario de formation hiérarchique. Elles exposent aussi toute la violence et la com - plexité de ce phénomène. Lors de la collision, l’énergie cinétique est dissipée en énergie thermique via la création d’ondes de choc mais aussi de turbulences. Les astrophysiciens constatent, dans certains amas en fusion, une émission synchrotron qui révèle la présence de particules relativistes. Les ondes de choc et la turbulence servent probablement aussi à l’accélération de ces particules. Le gaz et la matière noire vont progressivement se stabiliser pour former un nouvel amas à l’équilibre plus massif et plus chaud. Cependant, l’obser vation de ces amas à l’équilibre montre que l’énergie du gaz est plus grande que prévue. Les astrophysiciens comprennent mal d’où provient ce surplus, différents processus outre la gravité pouvant modifier le bilan thermique du gaz. Celui-ci se refroidit par rayonnement. En revanche, les explosions de supernovae et les noyaux actifs dans les galaxies peuvent injecter de l’énergie dans le milieu intergalactique. L'évolution du gaz dans les amas est donc affectée par les galaxies. Inversement, l’évolution des galaxies dépend de leur environnement. Elle est différente pour les galaxies d’amas et pour les galaxies isolées. Figure 2. L’amas de galaxies A2440. L’image composite de gauche montre les galaxies observées en lumière visible avec le télescope de 2,2 mètres de l’ESO – télescope MPG de l’observatoire de La Silla au Chili – (en vert), et le gaz chaud vu en rayons X par XMM-Newton (en rouge). L’image du gaz révèle que cet amas est en fait composé de deux amas plus petits, centrés sur les deux plus grosses galaxies, et d’un troisième groupe en haut à gauche. La carte de température (à droite) indique que les deux amas sont en train de fusionner : les régions plus chaudes (en jaune/rouge) correspondent à une onde de choc générée par leur rencontre. Questions d’avenir Quel est le rôle des processus autres que la gravité dans la formation des structures de matière visible ? Quelle est l’interdépendance de l'évolution aux différentes échelles, des galaxies aux grandes structures ? Ce sont les principales questions que doivent résoudre les astrophysiciens. L’astronomie en rayons X continuera à jouer un rôle essentiel. Les progrès de nouvelles techniques, comme la mesure de l’effet Sunyaev-Zel'dovich, de l’effet de lentille gravitationnelle, ou de l’émission en infrarouge des galaxies, permettront de sonder simultanément les amas à plusieurs longueurs d’onde, ce qui n’était jusqu’à présent possible que pour de petits échantillons. Le télescope spatial Herschel, lancé avec le satellite Planck par Ariane 5 en mai 2009, éclaircira l’effet de l’environnement sur la formation stellaire dans les galaxies. Le satellite Planck détectera, via l’effet Sunyaev-Zel'dovich, l’essentiel des amas massifs sur tout le ciel, qui seront ensuite étudiés en détail avec XMM-Newton (voir Voyage dans les lumières de l’Univers, p.90). L’observatoire européen en ondes radio LOFAR (LOw Frequency ARray) permettra de mieux comprendre l’accélération de particules dans les amas de galaxies. Observer directement l’histoire des amas, depuis la formation des premiers groupes de galaxies, reste cependant hors de portée des satellites en rayons X actuels. C’est un des objectifs principaux des satellites de prochaine génération, comme IXO (International X-ray Observatory) proposé dans le cadre du programme Cosmic Vision de l’ESA. Le projet Euclid, également candidat à ce programme, utilisera la technique des lentilles gravitationnelles pour effectuer un relevé de la matière noire sur la moitié du ciel, et détecter directement les amas en tant que structures de matière noire (voir Euclid, cartographe du ciel extragalactique, p.111). > Monique Arnaud Service d'astrophysique (SAp) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) Direction des sciences de la matière (DSM) Unité mixte de recherche astrophysique interactions multi-échelles (CEA-Université Paris 7-CNRS) CEA Centre de Saclay (Orme des Merisiers) CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 67 J.-L. Sauvageot/SAp/CEA - S. Maurogordato/OCA/CNRS



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