Densité de la galaxie dans le champ Cosmic Evolution Survey (COSMOS), avec des couleurs représentant le décalage vers le rouge des galaxies, allant du décalage vers le rouge de 0,2 (bleu) à 1 (rouge). Les contours roses des rayons X montrent l'émission étendue de rayons X observée par XMM-Newton.
La matière noire (en fait froide, sombre - matière non baryonique -) ne peut être détectée que par son influence gravitationnelle. Dans les amas et les groupes de galaxies, cette influence se présente sous la forme d'une lentille gravitationnelle faible, difficile à cerner. Une façon d'estimer beaucoup plus précisément le degré de lentille gravitationnelle - et donc la distribution de la matière noire - consiste à utiliser l'émission de rayons X du plasma intra-amas chaud pour localiser le centre de masse.
Et c'est exactement ce qu'une équipe d'astronomes a récemment fait… et ils nous ont, pour la première fois, donné une idée de l'évolution de la matière noire au cours des derniers milliards d'années.
COSMOS est une étude astronomique conçue pour sonder la formation et l'évolution des galaxies en fonction du temps cosmique (redshift) et de l'environnement de la structure à grande échelle. L'enquête couvre un champ équatorial de 2 degrés carrés avec imagerie par la plupart des principaux télescopes spatiaux (y compris Hubble et XMM-Newton) et un certain nombre de télescopes terrestres.
Comprendre la nature de la matière noire est l'une des principales questions ouvertes de la cosmologie moderne. Dans l'une des approches utilisées pour répondre à cette question, les astronomes utilisent la relation entre la masse et la luminosité qui a été trouvée pour les amas de galaxies qui relie leurs émissions de rayons X, une indication de la masse de la matière ordinaire («baryonique») seule ( bien sûr, la matière baryonique comprend les électrons, qui sont des leptons!), et leurs masses totales (matière baryonique plus matière noire) déterminées par la lentille gravitationnelle.
À ce jour, la relation n'a été établie que pour les grappes voisines. De nouveaux travaux réalisés par une collaboration internationale, notamment l'Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE), le Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM) et le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ont fait des progrès importants dans l'extension de la relation à des régions plus éloignées. et des structures plus petites que ce qui était possible auparavant.
Pour établir le lien entre l'émission de rayons X et la matière noire sous-jacente, l'équipe a utilisé l'un des plus grands échantillons de groupes et d'amas de galaxies sélectionnés par rayons X, produit par l'observatoire de rayons X de l'ESA, XMM-Newton.
Des groupes et des amas de galaxies peuvent être trouvés efficacement en utilisant leur émission de rayons X étendue sur des échelles sub-minutes d'arc. En raison de sa grande surface effective, XMM-Newton est le seul télescope à rayons X capable de détecter le faible niveau d'émission de groupes éloignés et d'amas de galaxies.
«La capacité de XMM-Newton à fournir de grands catalogues de groupes de galaxies dans des champs profonds est étonnante», a déclaré Alexis Finoguenov du MPE et de l'Université du Maryland, co-auteur du récent document Astrophysical Journal (ApJ) qui a rapporté l'équipe résultats.
Étant donné que les rayons X sont le meilleur moyen de trouver et de caractériser les amas, la plupart des études de suivi se sont jusqu'à présent limitées à des groupes et amas de galaxies relativement proches.
«Compte tenu des catalogues sans précédent fournis par XMM-Newton, nous avons été en mesure d'étendre les mesures de masse à des structures beaucoup plus petites, qui existaient beaucoup plus tôt dans l'histoire de l'Univers», explique Alexie Leauthaud de la Division de physique de Berkeley Lab, le premier auteur de l'étude ApJ.
La lentille gravitationnelle se produit parce que la masse courbe l'espace autour de lui, courbant le chemin de la lumière: plus la masse (et plus elle est proche du centre de masse), plus l'espace se plie et plus l'image d'un objet distant est déplacée et déformé. Ainsi, mesurer la distorsion, ou «cisaillement», est essentiel pour mesurer la masse de l’objectif.
Dans le cas d'une lentille gravitationnelle faible (telle qu'utilisée dans cette étude), le cisaillement est trop subtil pour être vu directement, mais de faibles distorsions supplémentaires dans une collection de galaxies éloignées peuvent être calculées statistiquement, et le cisaillement moyen dû à la lentille de certains massifs objet devant eux peut être calculé. Cependant, pour calculer la masse de la lentille à partir du cisaillement moyen, il faut connaître son centre.
«Le problème avec les amas à décalage vers le rouge élevé est qu'il est difficile de déterminer exactement quelle galaxie se trouve au centre de l'amas», explique Leauthaud. "C’est là que les rayons X aident. La luminosité des rayons X d'un amas de galaxies peut être utilisée pour trouver son centre de façon très précise. »
Connaissant les centres de masse à partir de l'analyse des émissions de rayons X, Leauthaud et ses collègues pourraient alors utiliser des lentilles faibles pour estimer la masse totale des groupes et des groupes éloignés avec une plus grande précision que jamais.
La dernière étape consistait à déterminer la luminosité aux rayons X de chaque amas de galaxies et à la représenter par rapport à la masse déterminée à partir de la lentille faible, avec la relation masse-luminosité résultante pour la nouvelle collection de groupes et d'amas étendant les études précédentes à des masses inférieures et supérieures. redshifts. Dans l'incertitude calculable, la relation suit la même pente droite des amas de galaxies proches aux amas distants; un simple facteur d'échelle cohérent relie la masse totale (baryonique plus sombre) d'un groupe ou d'un groupe à sa luminosité aux rayons X, ce dernier mesurant la masse baryonique seule.
«En confirmant la relation masse-luminosité et en l'étendant à des décalages vers le rouge élevés, nous avons fait un petit pas dans la bonne direction pour utiliser une lentille faible comme un outil puissant pour mesurer l'évolution de la structure», explique Jean-Paul Kneib, co-auteur. de l'article ApJ du LAM et du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS).
L'origine des galaxies peut être retracée à de légères différences dans la densité de l'Univers chaud et précoce; des traces de ces différences peuvent encore être vues comme de minuscules différences de température dans le fond cosmique micro-ondes (CMB) - points chauds et froids.
«Les variations que nous observons dans l'ancien ciel à micro-ondes représentent les empreintes qui se sont développées au fil du temps dans l'échafaudage de matière noire cosmique pour les galaxies que nous voyons aujourd'hui», explique George Smoot, directeur du Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), professeur de physique à l'Université de Californie à Berkeley, et membre de la division de physique du Berkeley Lab. Smoot a partagé le prix Nobel de physique 2006 pour la mesure des anisotropies dans le CMB et est l'un des auteurs de l'article ApJ. "Il est très excitant de pouvoir mesurer avec des lentilles gravitationnelles comment la matière noire s'est effondrée et a évolué depuis le début."
L'un des objectifs de l'étude de l'évolution de la structure est de comprendre la matière noire elle-même et la façon dont elle interagit avec la matière ordinaire que nous pouvons voir. Un autre objectif est d'en savoir plus sur l'énergie sombre, le mystérieux phénomène qui sépare la matière et provoque l'expansion de l'Univers à un rythme accéléré. De nombreuses questions restent sans réponse: l'énergie sombre est-elle constante ou dynamique? Ou est-ce simplement une illusion causée par une limitation de la théorie générale de la relativité d'Einstein?
Les outils fournis par la relation étendue masse-luminosité feront beaucoup pour répondre à ces questions sur les rôles opposés de la gravité et de l'énergie sombre dans la formation de l'Univers, maintenant et à l'avenir.
Sources: ESA et article publié dans le numéro du 20 janvier 2010 de l'Astrophysical Journal (arXiv: 0910.5219 est la préimpression)
