Reflets de la Physique n°64 jan/fév/mar 2020
Reflets de la Physique n°64 jan/fév/mar 2020
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°64 de jan/fév/mar 2020

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 5,6 Mo

  • Dans ce numéro : au sein et autour de la SFP, le concours Beautiful Science de la SFP.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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 » > avant un décalage de 15 n’auraient pas pu libérer efficacement des photons ionisants. Ces nouvelles mesures de Planck semblent confirmer les observations de galaxies très lointaines par le télescope spatial Hubble, dont on pense qu’elles sont responsables de l’émission de grandes quantités de photons ionisants. Les grandes structures Les perturbations initiales de densité générées aux premiers instants de l’Univers accrètent de la matière sous l’effet de la gravité et croissent. Elles continuent de grandir par fusions successives et s’organisent sous la forme d’un réseau de matière baryonique et de matière sombre. Lorsqu’elles sont assez denses, elles forment en leur sein les premières étoiles et donnent naissance aux toutes premières galaxies, qui évoluent ensuite sous la forme de structures cosmiques complexes. Il existe deux méthodes pour visualiser le réseau de filaments de matière sombre. La première consiste à observer comment les galaxies se distribuent dans l’espace (et dans le temps). La seconde consiste à identifier comment la gravité, induite par la matière sombre dans les filaments, courbe les rayons lumineux issus des galaxies distantes et distord leurs images. C’est l’effet de lentille gravitationnelle faible. Cet effet intervient aussi en distordant et lissant les motifs les plus petits (quelques minutes d’arc sur le ciel) de l’image du CMB utilisée comme lumière d’arrière-plan. Ces distorsions sont employées dans l’analyse fine des cartes du CMB effectuée par la collaboration Planck pour reconstituer la distribution sous-jacente de matière sombre. Grâce à l’effet de lentille gravitationnelle faible, Planck a permis pour la première fois de visualiser l’accumulation (sur la ligne de visée) de matière sombre sur la totalité du ciel (fig. 4), et en a ainsi fourni une cartographie complète et une caractérisation de ses propriétés statistiques. Cette carte représente en quelque sorte l’ensemble des écrins de matière sombre dans lesquels les galaxies vont se former et évoluer. On les désigne sous la terminologie de « puits de potentiel de matière sombre ». Le gaz des amas de galaxies va aussi s’y agréger, pour y atteindre des températures extrêmes jusqu’à des centaines de millions de degrés. 8 Reflets de la Physique n°64 4. Carte du potentiel gravitationnel obtenu par l’analyse de l’effet de lentille gravitationnelle faible sur la carte du fond diffus cosmologique. Ce potentiel est relié à la présence de matière sombre projetée sur la ligne de visée. Les régions avec plus de masse sont en couleur claire, celles avec moins de masse en foncé. (Figure tirée de Planck Collab. I, A&A 593 (2015) A1.) 545 GHz - - - - -. i " : 9. _. h ‘ h 1 0 à......1111. 111 I 4.. à à 11. loi. I... 1% I-b%'1.. 1.../1, 1.e. « %%"',.i.ri...t9, 9..../.0....e.4'.\\jr/d',. a e 404 44 1\ie fer..4s4.\n-.4 a 4%'44 ---...-4.4. 4 e-.44m. 4 4...41,."4....11-..0-4.m.'Se ". I 4 e 2 ee.., if 4..\\"'.'-, e/. f'1 V'ti".-'..1.. 4'l/\,\"' - fl ".r.. Ili ‘16', r fj.fç%%-... 4. d dr f III% '.. d f/1...6 -..,Pr P, - d d. 4. iiiire_..è i 1 -3,60 x 10 -4 2,56 x 10 -4 8,73 x 10 -4 -6,00 x 10 -4 2,91 x 10 -11 6,00 x 10 -4 -9,33 x 10 -6 0,00 9,33 x 10 -6 5. Visualisation dans l’espace réel de la corrélation entre le fond diffus infrarouge (FDI) de galaxies et le potentiel gravitationnel. Extraits de un degré carré de la carte des températures du fond diffus infrarouge mesurée à la fréquence 545 GHz de Planck-HFI, réalisés en superposant les zones centrées sur les 20 000 pics d’intensité les plus brillants (à gauche), les moins brillants (au milieu) ou choisies aléatoirement (à droite, pour s’assurer que la méthode n’induit aucun effet systématique). Les couleurs traduisent l’intensité de l’émission du fond diffus infrarouge, les flèches tracent par leur longueur et leur direction la déflexion par effet de lentille gravitationnelle sur le rayonnement fossile. On voit que les maxima de température du FDI (en rouge) défléchissent la lumière vers l’intérieur et correspondent donc à des puits de potentiel gravitationnels, alors que les minima de température (en bleu) correspondent à des maxima de potentiel. (Figure tirée de Planck Collab. XVIII, A&A 571 (2013) A18.) En corrélant la carte de matière sombre déduite de l’effet de lentille gravitationnelle sur le CMB aux positions des galaxies et aux amas connus, la collaboration Planck a montré de manière magistrale que le modèle hiérarchique de formation des structures cosmiques décrit dans ses grandes lignes parfaitement bien la distribution et l’agrégation des objets astronomiques jusqu’à des époques très reculées, correspondant à un décalage vers le rouge de l’ordre de 2. Par ailleurs, la corrélation des cartes de l’effet de lentille gravitationnelle et de l’émission du FDI (fond diffus infrarouge, qui représente l’ensemble de l’émission des galaxies de l’Univers le long de son histoire et trace la formation stellaire dans les galaxies), toutes deux mesurées par Planck, illustre parfaitement la concomitance de la formation des étoiles dans les galaxies avec la présence d’une densité de matière sombre distordant le CMB (fig. 5).. ESA & HFI & LFI consortia. ESA & HFI & LFI consortia.
Enfin, l’analyse des images du FDI révèle des objets inconnus qui apparaissent « froids » dans le jargon des astrophysiciens, c’est-àdire présentent une émission spectrale très décalée vers le rouge. Ces « points froids du FDI » pourraient être des proto-amas de galaxies (le chainon manquant dans la formation des structures) ou des galaxies individuelles très fortement amplifiées par effet de lentille gravitationnelle. Dans les deux cas, ces objets se situeraient à des décalages spectraux supérieurs à 2. Un grand ensemble d’observations, notamment de l’observatoire européen spatial Herschel, a permis de prouver qu’en effet, sur des centaines d’objets « froids », certains se situent bien à des redshifts supérieurs à 2 (fig. 6). La qualité des données de Planck nous permet donc de sonder aussi la formation des toutes premières structures individuelles et de compléter la « généalogie » des galaxies et des amas. Les amas de galaxies Les galaxies se regroupent pour former des amas à l’intersection des filaments du réseau cosmique. La matière ordinaire sous forme d’un gaz est chauffée à des températures de l’ordre de dizaines à la centaine de millions de degrés dans les puits de potentiel de matière sombre. Les photons du CMB interagissent avec ce gaz chaud. Ils acquièrent un peu plus d’énergie à la sortie des amas qu’à leur entrée – un effet dénommé « Sunyaev-Zel’dovich » (SZ). Grâce à cette manifestation spectrale unique et caractéristique (voir l’encadré, p.10), Planck est particulièrement adapté pour la découverte des amas de galaxies. Une combinaison de techniques adaptées a permis à la collaboration Planck de mettre en évidence plus d’un millier d’amas de galaxies (dont plus de 500 nouveaux amas), ainsi que des super-amas. Environ vingt ans après le premier catalogue d’amas complet dans le domaine des rayons X – produit par le satellite ROSAT – les catalogues établis par Planck dans les domaines millimétrique et submillimétrique ont révélé une population d’amas massifs et lointains jamais observés auparavant. Images de la physique L’observation de ces amas permet de mieux comprendre leur physique, mais aussi de mesurer certains paramètres cosmologiques, puisque la formation de ces objets massifs y est très sensible. Avec un souséchantillon de plusieurs centaines de ces amas, la collaboration Planck a obtenu les mesures les plus précises de ces paramètres, notamment la densité de matière et l’amplitude des perturbations initiales. De plus, pour la première fois, la mesure de l’effet SZ intégrée sur toute la sphère céleste, effectuée par Planck, a mis en évidence la contribution des amas non résolus. Avec ce signal intégré de l’effet SZ, les paramètres cosmologiques ont été contraints. Cependant, les résultats obtenus avec les mesures SZ ne sont pas tout à fait en accord avec les paramètres cosmologiques issus de la mesure du CMB par Planck, en particulier l’amplitude des perturbations initiales S 8. Cet écart n’est pas assez important pour remettre en cause fondamentalement le modèle, mais il est suffisamment grand pour provoquer un débat dans la communauté, car il ouvre la possibilité d’une mesure indirecte de la masse des neutrinos, ou d’une révision des estimations des masses des amas de galaxies. » > 6. Les points froids du fond diffus cosmologique, observés par les observatoires Planck et Herschel. En haut  : la totalité du ciel observé par Planck, à la fréquence de 545 GHz (soit environ 550 µm de longueur d’onde). La bande blanche horizontale correspond aux poussières de la Voie lactée. Les points noirs indiquent la position des candidats observés ultérieurement par Herschel. En bas, les images dans les directions de six de ces points froids, prises par l’instrument SPIRE de Herschel à 250, 350 et 500 µm de longueur d’onde, avec les contours de densité surfacique des galaxies observées. (Figure tirée de Planck Collab., Planck intermediate results, XXVII, A&A 582 (2015) 30). Dole, Guéry, Hurier, ESA, Planck Collab., HFI Consortium (IAS, CNES, Univ. Paris Sud, CNRS). Reflets de la Physique n°64 9



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