C'est une ironie cosmique :les plus grandes choses de l'univers peuvent aussi être les plus difficiles à trouver.

Elizabeth Blanton, professeur agrégé d'astronomie à l'Université de Boston, a commencé à chasser les amas de galaxies lointains il y a plus de 20 ans. Un seul amas de galaxies peut être aussi massif qu'un quadrillion de soleils, pourtant, les amas lointains sont si faibles qu'ils sont pratiquement invisibles pour tous, à l'exception des plus grands télescopes terrestres. Des amas éloignés contiennent des éléments de l'histoire de la première émergence de la structure en forme de toile de l'univers et pourraient aider à éclairer la vraie nature de l'énergie noire et de la matière noire. Maintenant, la recherche de son équipe livre son plus grand retour :un catalogue d'environ 200 amas de galaxies candidats qui, si confirmé, peut inclure certains des amas les plus éloignés jamais trouvés. Les nouveaux résultats, qui sera un outil utile pour les astronomes du monde entier, ont été publiés le 26 juillet 2017, édition de la Journal d'astrophysique par une équipe qui comprend Rachel Paterno-Mahler (GRS'15), Doctorant Emmet Golden-Marx (GRS'16, '19), Gagandeep Anand (GRS'17), Aile Joshua (GRS'07, '13), et ses collègues de l'Université du Missouri-Kansas City et du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Les amas de galaxies peuvent contenir des milliers de galaxies et des milliers de milliards d'étoiles, et c'est exactement ce que les astronomes peuvent voir avec des télescopes ordinaires. Le gaz chaud entre les galaxies brille avec des rayons X, et les astronomes soupçonnent que plus de 85 % de la masse de chaque amas est cachée sous forme de matière noire. Mappé en trois dimensions, l'univers est une toile de filaments brillants et de vides sombres, avec des amas de galaxies occupant les points d'intersection des filaments.

Tissés dans cette toile cosmique se trouvent des indices sur deux mystères cosmiques majeurs :la matière noire, la substance invisible qui imprègne les galaxies et les espaces entre elles, et l'énergie noire, qui est à l'origine de l'accélération de l'expansion de l'univers. Ensemble, la matière noire et l'énergie noire représentent environ 95% de notre univers, les scientifiques soupçonnent, mais les astrophysiciens ne connaissent l'existence de la matière noire et de l'énergie noire qu'indirectement, par leur influence sur les étoiles et les galaxies qui illuminent le ciel.

La nouvelle cache de candidats à des amas de galaxies distants pourrait aider les chercheurs à cerner les propriétés de la matière noire et de l'énergie noire, dit Paterno-Mahler, premier auteur sur le nouveau papier, l'un d'une série à venir de l'équipe de Blanton. "Les amas de galaxies sont de très bons bancs d'essai pour connaître les paramètres cosmologiques de notre univers, comme la quantité d'énergie noire et la quantité de matière noire."

En comparant des clusters lointains avec leurs homologues locaux, les chercheurs peuvent également dresser un calendrier de la formation et de la croissance des amas de galaxies. C'est parce que la lumière des amas les plus éloignés a dû voyager des milliards d'années avant d'atteindre la Terre, les astronomes voient donc ces amas tels qu'ils étaient il y a longtemps. "Si nous voulons apprendre comment les amas - les structures effondrées les plus massives de l'univers - se forment et évoluent, nous devons les étudier sur une gamme de distances, tout le chemin du retour, " dit le coauteur Mark Brodwin, professeur adjoint de physique et d'astronomie à l'Université du Missouri-Kansas City. Et parce que les amas de galaxies donnent aux astronomes accès à un large échantillon de galaxies d'âge similaire, ils fournissent également un laboratoire pour étudier comment les galaxies individuelles ont changé au fil du temps. "Vous avez un tas de galaxies à la même époque, ensemble dans l'espace, comparer à des galaxies plus proches, " dit Blanton.

Mais plus un amas de galaxies est éloigné de la Terre, plus il apparaît. Les télescopes optiques traditionnels doivent fixer un seul point dans le ciel pendant longtemps pour collecter suffisamment de lumière pour révéler un amas distant, et arpenter tout le ciel de cette façon est chronophage. Donc, pour créer le nouveau catalogue, Blanton et son équipe ont parcouru les données archivées pour trouver des indices sur l'emplacement des clusters, puis suivi d'observations ciblées au télescope. leur recherche, surnommé COBRA (Clusters Occuped by Bent Radio AGN, ou noyaux galactiques actifs), a été soutenu par des subventions de la National Science Foundation et de la NASA.

Leur piste d'indices commence par le fait que presque toutes les grandes galaxies ont un trou noir supermassif en leur centre. Ces trous noirs sont notoirement des mangeurs désordonnés, et quand ils festoient, une partie de la poussière et du gaz plongeant vers l'intérieur est éclaboussée en énorme, jets en spirale. Ces jets peuvent s'étendre sur toute la largeur de la galaxie et au-delà, et ils produisent un rugissement d'ondes radio que les astronomes peuvent capter avec des radiotélescopes sur Terre. Si la galaxie zoome également à travers le gaz d'amas chaud (ou si le gaz passe au-delà de la galaxie), les jets se plient en une forme "C" caractéristique - "comme vos cheveux au vent, " dit Blanton. Cette forme en "C" est le premier indice d'un éventuel amas.

L'équipe de Blanton s'est penchée sur les relevés du ciel existants et a trouvé près de 2, 000 de ces objets particuliers. Puis Wing, dans le cadre de son travail de thèse, ont comparé ces amas suspects à des images en lumière visuelle provenant des archives du Sloan Digital Sky Survey. Les candidats les plus excitants, dit Blanton, sont ceux pour lesquels les images de Sloan semblent sombres, laissant entendre que le signal radio pourrait provenir d'un amas si éloigné que le télescope Sloan Survey ne peut pas le voir du tout.

Les possibilités étant encore réduites, ils ont ensuite utilisé le télescope spatial Spitzer pour se concentrer sur environ 650 amas possibles, un par un. (Spitzer est le plus sensible à la lumière infrarouge, rayonnement qui ne peut pas être vu par l'œil humain mais qui est idéal pour observer les galaxies lointaines.) Avec l'aide d'un ordinateur, ils ont compté le nombre de galaxies dans chaque image de Spitzer et l'ont comparé au nombre typique de galaxies dans une zone comparable du ciel. Un nombre inhabituellement élevé de galaxies – appelé « surdensité » – suggère un amas de galaxies.

Une surdensité n'est pas la preuve définitive d'un amas de galaxies, bien que. "Vous voyez une image 2D d'une distribution 3D d'objets, " explique Blanton. " Certains d'entre eux pourraient être au premier plan, ou bien en arrière-plan." Ces "effets de projection" peuvent créer l'illusion d'un cluster où aucun n'existe vraiment. La prochaine étape du groupe, en cours maintenant, est de mesurer la distance à chaque galaxie dans l'amas apparent pour confirmer que le groupement est réel, pas une illusion d'optique.

Golden-Marx détermine déjà les distances de certaines des galaxies à l'aide du télescope Discovery Channel de 4,3 mètres, où BU est une institution partenaire, et Blanton espère gagner du temps sur le télescope spatial Hubble et l'un des télescopes jumeaux Keck de 10 mètres à Hawaï pour obtenir des mesures encore plus précises. Une fois les distances confirmées, l'équipe sera en mesure de classer correctement les grappes par âge et de confirmer également si leur catalogue comprend vraiment les grappes les plus éloignées encore trouvées.