À l’aide de l’observatoire XMM-Newton de l’ESA, une équipe internationale, dirigée par Marguerite Pierre du Département d'Astrophysique du CEA-Irfu vient de révéler les derniers résultats du sondage XXL, le plus vaste programme d’observation en rayons X réalisé à ce jour par le satellite XMM. Le deuxième lot de données qui vient d'être publié dans un numéro spécial de la revue Astronomy & Astrophysics, comprend des informations sur 365 amas de galaxies et sur 26 000 noyaux galactiques actifs (AGN). Par l'examen profond de deux grandes régions du ciel, le sondage XXL est la première étude en rayons X à détecter suffisamment d’amas de galaxies et d’AGN pour permettre de retracer la structure à grande échelle de l'Univers et son évolution dans le temps avec des détails sans précédent. Dans cette collaboration internationale menée par le CEA sont fortement engagées des équipes du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille et du Laboratoire J.L. Lagrange de l'Observatoire de la Côte d'Azur. Ces travaux ont bénéficié des moyens du CEA, du CNES, du CNRS, des Universités Aix-Marseille et Nice Sophia-Antipolis, et du Programme National de Cosmologie de l'INSU.
Les rayons X étant bloqués par l'atmosphère terrestre, les sources X ne sont observables que par des télescopes spatiaux. Dans l'Univers lointain, elles sont associées à des amas de galaxies qui contiennent un gaz très chaud émettant des rayons X ou à des trous noirs supermassifs, situés au centre de certaines galaxies (noyaux galactiques actifs ou AGN). Pendant 2000 heures, l'observatoire spatial XMM-Newton a exploré deux régions de 2×25 degrés carrés et recensé 365 amas galactiques et 26 000 AGN. Certains amas sont à des distances atteignant 7 milliards d'années lumière et de nombreux AGN sont encore plus éloignés. Pour identifier ces sources et déterminer leur distance, il a fallu rechercher des informations à d'autres longueurs d'onde.
L'Univers est organisé en filaments de matière façonnés par la gravité, dont les intersections sont matérialisées par les amas de galaxies. La connaissance de ces structures à grande échelle, très denses, ouvre la possibilité de tester les prédictions du modèle cosmologique communément admis. La structure de l'Univers et son évolution sont décrites par un ensemble de paramètres cosmologiques, dont l'accélération de l'expansion de l'Univers. Grâce au satellite Planck de l'ESA, les chercheurs ont déterminé ces paramètres cosmologiques en étudiant le fond diffus cosmologique, un rayonnement microonde témoignant de l'Univers très jeune. Le sondage XXL permet de déterminer les mêmes paramètres pour l'Univers plus récent. Il montre que la distribution des amas et des AGN de XXL est compatible avec le modèle cosmologique actuel et permet déjà une meilleure détermination de la constante décrivant l'accélération l'expansion de l'Univers. À noter que cette analyse ne porte que sur la moitié de l'échantillon d'amas de galaxies déjà identifiés.
Le catalogue final des données XXL traitées avec de nouvelles techniques plus performantes ainsi que l'analyse cosmologique complète sont prévus pour 2021. La « toile cosmique » sera explorée par les prochains satellites de l'ESA, Euclid et Athena, qui sonderont des régions encore plus étendues et distantes, décuplant ainsi le sondage XXL.
Image en lumière visible (à gauche) et en rayons X (à droite) de l'amas XLSSC006,
situé à une distance d'environ 4,5 milliards d'années-lumière de la Terre.
En rayons X, la zone lumineuse rose (fausse couleur) code l'intensité du rayonnement X émis par le gaz chaud de l'amas.
L'analyse de ces images permet de déterminer les caractéristiques de l'amas avec notamment sa distance.
Image visible : Observatoire Canada-France-Hawaï (CFH) / Image en rayons X : Observatoire XMM-Newton
Images en rayons X des 365 amas de galaxies du sondage XXL observés par le satellite XMM-Newton.
Les 365 images sont ordonnées comme un calendrier. Crédits: ESA/XMM-Newton/XXL Survey
L'UMR Lagrange (CNRS-UNS-OCA) impliquée dans l’analyse des propriétés des galaxies
des amas détectés en rayons X par XXL
Au sein des amas, le gaz chaud émettant en X cohabite avec une multitude de galaxies observables dans un domaine de longueurs d'onde allant de l'ultra-violet à l'infra-rouge et ces deux populations sont supposées être à l'équilibre dans un même potentiel gravitationnel. À l’Observatoire de la Côte d’Azur, l’équipe Galaxies et Cosmologie du Laboratoire Lagrange s’est fortement impliquée dans l’analyse des propriétés des galaxies en correspondance des amas détectés en rayons X par XXL, en particulier en utilisant le grand relevé photométrique Canada France Hawaii Legacy Survey. Elle a également pris part aux mesures des vitesses radiales des galaxies sur les télescopes de l’ESO au Chili permettant de mesurer la distance et donc l’âge de ces amas. Les galaxies d’amas représentent une population particulière dont l’évolution dépend de l’époque de leur accrétion au sein de l’amas et des nombreuses interactions qu’elles subissent dans cet environnement très dense. Au cours de son travail de thèse effectué sous la direction de Sophie Maurogordato et Christophe Benoist, Marina Ricci a développé une méthode innovante afin d’exploiter de manière optimale la richesse de ces nouvelles données, ce qui lui a permis d’explorer et de caractériser le contenu en galaxies des amas et des groupes émettant aux longueurs d’onde X jusqu’à plus de 7 Milliards d’années en arrière, soit environ la moitié de l’âge de l’Univers. Ce projet se place dans la perspective de l’analyse multi longueur d’onde des grands relevés du futur, en particulier d’Euclid, mission spatiale de l’ESA dans laquelle l’équipe est fortement impliquée.
Contacts
CEA : Marguerite Pierre du Département d'Astrophysique, marguerite.pierre@cea.fr.
OCA : Christophe Benoist, Sophie Maurogordato, Marina Ricci.
Référence
Une série de 20 articles écrits par la collaboration du sondage XXL seront publiés en décembre 2018 dans un numéro spécial de Astronomy & Astrophysics. Parmi ceux-ci, 6 sont pilotés ou copilotés par des membres des trois instituts français :
- Adami, C., Giles, P., Koulouridis, E., et al. 2018, The XXL Survey XX, The 365 cluster catalogue
- Koulouridis, E., Faccioli, L. Le Brun, A. et al., 2018, A&A in press, The XXL Survey XIX. A realistic population of simulated X-ray AGN: Comparison of models with observations
- Koulouridis, E, Ricci M., Giles P., Adami C. et al, 2018 A&A in press, The XXL survey XXXV. The role of cluster mass in AGN activity
- Faccioli, L., Pacaud, F., Sauvageot, J.-L. et al. 2018, A&A in press, The XXL survey XXXIV. The final detection pipeline,
- Pacaud, F., Pierre, M., Melin, J.-B et al., 2018, The XXL Survey XXV. Cosmological analysis of the C1 cluster number counts
- Ricci, M., Benoist, C., Maurogordato, S.et al. 2018, A&A in press, The XXL Survey XXVIII. Galaxy luminosity functions of the XXL-N clusters
Les travaux entrepris dans le cadre d'XXL ont également donné lieu au développement d'une méthode novatrice d'analyse cosmologique pour les amas publiée dans la revue Astronomy and Astrophysics
- Pierre, M., Valotti, A., Faccioli, L. et al, 2017, A&A, 607, 123: The cosmological analysis of X-ray cluster surveys III. 4D X-ray observable diagrams.
- Valotti, A. Pierre, M. et al., 2018, A&A, 614, 72: The cosmological analysis of Xray cluster surveys IV. Testing ASpiX with template-based cosmological simulations.
Voir aussi :
> le communiqué de presse de l'Agence Spatiale européenne (ESA) (4 octobre 2018)
> le communiqué du CEA (4 octobre 2018)
> Un sondage de l'univers en dimensions XXL (15 décembre 2015)
> L'univers en XXL (3 mai 2011)
