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Décalage massif

Un chercheur de l’Institut Périmètre dirige une équipe qui mesure la masse d’amas galactiques lointains à l’aide de la lumière la plus ancienne de l’univers. Les citations de cet article sont traduites d’une entrevue accordée en anglais par Mathew Madhavacheril.

The cosmic microwave background radiation (CMB) as imaged by the Planck satellite

Une équipe de plus de 60 chercheurs du consortium du télescope cosmologique d’Atacama vient de faire la démonstration d’une nouvelle technique qui mesure la masse d’amas galactiques hyperlointains à l’aide de la lumière la plus ancienne de l’univers : le rayonnement fossile (ou fonds diffus cosmologique).

La masse d’un amas galactique — l’une des grandeurs-clés qui explique la structure et l’histoire de notre univers — est notoirement difficile à mesurer. L’ensemble des étoiles, des planètes, de la poussière, des trous noirs et des gaz d’une galaxie ne compte que pour une petite partie de sa masse totale. Le reste vient de la matière sombre, qui possède une masse mais qui est indétectable par observation directe.

Les physiciens utilisent une technique, appelée effet lenticulaire gravitationnel, qui fait appel à des mesures indirectes pour calculer la masse totale d’un amas galactique, y compris celle de la matière sombre qu’il contient. La force de gravité incurve la trajectoire de la lumière : plus la masse est grande, plus grande est la distorsion. Depuis les années 1980, les chercheurs déduisent la masse d’amas galactiques à partir du degré avec lequel ceux-ci provoquent de minuscules distorsions de la lumière provenant de galaxies situées derrière eux.

Illustration de l'effet lenticulaire gravitationnel
Illustration de l’effet lenticulaire gravitationnel. Dans ce diagramme, l’échelle est grandement exagérée. Image : NASA, ESA et L. Calçada.

Mais que se passe-t-il lorsque l’on étudie les confins de l’univers observable?

« Plus les amas galactiques sont loin, plus cette technique devient difficile à appliquer, simplement parce qu’il y a moins de galaxies derrière », dit Mathew Madhavacheril, boursier P.J.E.-Peebles et postdoctorant principal à l’Institut Périmètre, qui a dirigé cette recherche conjointement avec Cristobal Sifon, de l’Université catholique pontificale de Valparaiso, au Chili, et Nick Battaglia, de l’Université Cornell, à Ithaca, dans l’État de New York.

« Par contre, le rayonnement fossile, la lumière la plus ancienne qui existe, est à l’arrière-plan de tous les amas galactiques de l’univers. »

Le rayonnement fossile, cartographié par le satellite Planck
Le rayonnement fossile, cartographié par le satellite Planck. Image : ESA et l’équipe du projet Planck.

Le consortium du télescope cosmologique d’Atacama comprend des théoriciens, des spécialistes des données, de l’instrumentation et de l’étalonnage, ainsi que d’autres experts. Ensemble, ses membres ont employé une autre technique qui, en utilisant le rayonnement lumineux émis avant même la formation des premières galaxies, permet d’analyser les propriétés d’amas galactiques représentatifs tels qu’ils se présentaient lorsque l’univers était beaucoup plus jeune.

« Comme la lumière met du temps à nous parvenir et que ces amas galactiques sont extrêmement lointains, nous les voyons tels qu’ils étaient il y a plus de 7 milliards d’années, dit M. Madhavacheril. Mais le rayonnement fossile est encore plus ancien et va encore plus loin. »

Le rayonnement fossile a été émis lorsque l’univers n’avait qu’environ 379 000 années d’existence, soit des centaines de millions d’années avant la formation des premières étoiles et galaxies. Même s’il est différent maintenant de ce qu’il était à l’époque, le rayonnement fossile est partout dans l’univers contemporain. Son omniprésence et son uniformité permettent d’observer de minuscules distorsions dues à l’effet lenticulaire gravitationnel causé par des amas galactiques lointains. Les motifs distordus du rayonnement fossile permettent aux chercheurs de déduire la masse moyenne de ces amas.

Les chercheurs ont montré comment leurs données, recueillies dans une grande région du ciel, font davantage qu’étendre les mesures de masse à des amas galactiques plus lointains : ces données étendent également la gamme des masses que l’on peut mesurer. Les mesures traditionnelles faisant appel à l’effet lenticulaire gravitationnel sont difficiles à faire et exigent de puissants instruments d’observation tels que le télescope spatial Hubble. Les chercheurs ont tendance à réserver les ressources et le temps limités qu’ils ont à leur disposition pour n’étudier que les amas les plus massifs, où ils sont plus susceptibles de détecter des manifestations claires de l’effet lenticulaire gravitationnel.

L'amas galactique Abell 2744
L’amas galactique géant Abell 2744. Image : NASA, ESA, J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, et l’équipe HFF (de l’Institut scientifique du télescope spatial)

Par contre, la mesure des distorsions du rayonnement fossile n’exige pas de pointer un télescope dans une seule direction précise. Les télescopes au sol qui peuvent balayer de larges bandes de ciel nocturne produisent des masses de données instructives sur des amas galactiques ordinaires.

« Si, pour mesurer l’effet lenticulaire gravitationnel, vous ne choisissez dans l’ensemble des amas galactiques que ceux qui sont les plus massifs, les données que vous obtenez ne sont pas représentatives, elles sont faussées vers le haut, dit M. Madhavacheril. Avec un relevé du rayonnement fossile qui couvre la moitié du ciel, vous ne faites pas une telle sélection. Vous avez des données sur tous les amas, peu importe leur masse. Les mesures que vous obtenez sont alors plus représentatives. »

Les galaxies et les amas galactiques ont tendance à devenir de plus en plus massifs en vieillissant, à la fois en attirant de la masse contenue dans les régions avoisinantes ainsi que par des collisions et fusions avec d’autres galaxies ou amas. En analysant des amas lointains, jeunes et moins massifs, on obtient non seulement de nouveaux renseignements sur la structure de l’univers primitif, mais aussi sur l’évolution de l’univers jusqu’à nos jours.

« La cartographie de cette matière invisible et la mesure de la masse d’amas galactiques sont cruciales pour comprendre pourquoi l’expansion de l’univers s’accélère », dit Mathew Madhavacheril.

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