Les 365 amas de galaxies du XXL Survey – Vue aux rayons X. Crédit :ESA/XMM-Newton/XXL Survey
Balayage du ciel à la recherche de sources de rayons X, L'observatoire à rayons X XMM-Newton de l'ESA s'est occupé du XXL Survey, son plus grand programme d'observation à ce jour. Le deuxième lot de données de l'enquête vient d'être publié, y compris des informations sur 365 amas de galaxies, qui retracent la structure à grande échelle de l'Univers et son évolution dans le temps, et sur 26 000 noyaux galactiques actifs (AGN).
En examinant deux grandes régions du ciel avec une grande sensibilité, il s'agit de la première étude aux rayons X à détecter suffisamment d'amas de galaxies et d'AGN dans des volumes d'espace contigus pour permettre aux scientifiques de cartographier la distribution de ces objets dans l'Univers lointain avec des détails sans précédent. Les résultats sont compatibles avec les attentes du modèle cosmologique actuellement accepté.
Les rayons X sont produits dans certains des processus les plus énergétiques de l'Univers, mais parce qu'ils sont bloqués par l'atmosphère terrestre, ils ne peuvent être observés que depuis l'espace. Lorsque les télescopes à rayons X observent l'Univers extragalactique, ils voient essentiellement deux sources :les gaz chauds qui envahissent les amas de galaxies, et Active Galactic Nuclei (AGN) - brillant, régions compactes au centre de certaines galaxies où un trou noir supermassif accrète la matière environnante.
Le XMM-Newton de l'ESA est l'un des télescopes à rayons X les plus puissants jamais mis en orbite. Au cours des huit dernières années, il a passé 2000 heures à mesurer le rayonnement X dans le cadre de l'enquête XXL, qui a recherché des amas de galaxies et AGN en balayant deux zones de ciel apparemment vide mesurant chacune 25 degrés carrés (à titre de référence, la pleine lune mesure environ un demi-degré de diamètre).
La première série de données XXL a été publiée en 2015; il comprenait 100 des amas de galaxies les plus brillants et 1000 AGN. Ce mois-ci, un nouveau catalogue de données a été publié contenant un nombre impressionnant de 365 clusters et 26 000 AGN. Les premiers résultats utilisant ces données sont publiés dans un numéro spécial de Astronomie &Astrophysique .
L'enquête a cartographié les amas de rayons X si éloignés que la lumière les a quittés alors que l'Univers n'avait que la moitié de son âge actuel, et AGN qui sont encore plus loin. Certaines des sources observées sont si éloignées que XMM-Newton n'en a pas reçu plus de 50 photons de rayons X, ce qui rend difficile de dire s'il s'agit de clusters ou d'AGN.
"Il était relativement facile de trouver des amas de galaxies et des AGN, car ce sont les seuls objets extragalactiques visibles à la lumière des rayons X, " explique Marguerite Pierre du CEA Saclay, La France.
Vue composite de l'amas de galaxies XLSSC006, combinant les observations en rayons X effectuées par l'observatoire spatial XMM-Newton de l'ESA dans le cadre du relevé XXL (en violet) avec les données optiques et proche infrarouge du télescope Canada-France-Hawaii - un composite en trois couleurs du bleu ( u) filtrer, représenté en bleu, le filtre rouge (r), représenté en vert, et un filtre proche infrarouge (z), indiqué en rouge. Cette grappe, se trouvant à un décalage vers le rouge de 0,43 et avec une masse de ~ 5 × 1014 masses solaires, comporte deux galaxies dominantes, suggérant qu'il subit un événement de fusion. Les données XMM-Newton montrent le chaud, Gaz émettant des rayons X qui imprègne l'amas. Crédit :ESA/XMM-Newton (rayons X); CFHT (optique); Sondage XXL
"Mais nous avons dû utiliser plusieurs autres télescopes collectant la lumière à de nombreuses longueurs d'onde différentes, ainsi que de vastes installations informatiques, pour recueillir plus d'informations sur chaque source, y compris en précisant leur nature et leur distance."
La matière dans l'Univers n'est pas uniformément répartie mais forme une toile cosmique de filaments façonnés par la gravité, avec des amas de galaxies trouvés à leurs intersections. Les amas de galaxies sont les plus grandes entités liées de l'Univers - ils tracent les pics de densité les plus élevés dans sa structure à grande échelle, ce qui en fait un outil puissant pour répondre aux questions sur la cosmologie.
La structure et l'évolution de l'Univers sont décrites par un ensemble de paramètres cosmologiques, qui incluent la densité de ses divers composants et le taux de son expansion. Actuellement, nous connaissons assez bien la valeur de nombre de ces paramètres, mais de grands échantillons de traceurs cosmiques à diverses distances sont nécessaires pour décrire plus précisément la structure sous-jacente de l'Univers. L'objectif ultime de l'enquête XXL est de fournir un vaste, catalogue bien caractérisé d'amas pouvant être utilisé pour contraindre les paramètres cosmologiques.
Le satellite Planck de l'ESA a déterminé des valeurs de paramètres cosmologiques en étudiant le fond diffus cosmologique, qui est l'information du tout début de l'Univers. Après avoir estimé ces paramètres à l'aide des dernières données de l'enquête XXL - qui est basée sur des informations provenant de l'Univers plus récent - les scientifiques ont comparé leurs résultats aux valeurs de Planck.
"Bien que nous n'ayons pas trouvé autant d'amas de galaxies que le prédit le modèle cosmologique de Planck, nous avons obtenu une distribution d'amas et d'AGN compatible avec le modèle cosmologique actuellement privilégié, qui recourt à la constante cosmologique d'Einstein comme explication de l'expansion accélérée de l'Univers, plutôt que d'invoquer des possibilités encore plus exotiques, " explique Marguerite Pierre.
"Nous pouvons déjà améliorer l'estimation de Planck pour la constante cosmologique, même si notre analyse n'a été réalisée que sur la moitié de l'échantillon de la grappe XXL; nous passerons les deux prochaines années à analyser le reste des données dans le but d'affiner les contraintes cosmologiques."
Il est plus difficile d'estimer les valeurs des paramètres cosmologiques à l'aide d'AGN, car leurs propriétés sont affectées par de nombreuses influences extérieures. Les scientifiques ont plutôt utilisé les données AGN de l'enquête XXL pour mieux comprendre comment les trous noirs se forment et évoluent.
Cette mosaïque montre les 365 amas de galaxies du XXL Survey tels qu'ils sont imagés dans les longueurs d'onde optiques par le télescope Canada-France-Hawaii et par le télescope Blanco de l'observatoire interaméricain Cerro Tololo. Les clusters sont ordonnés par distance croissante de nous, en partant du plus proche, à un décalage vers le rouge de 0,03 dans le coin supérieur gauche, jusqu'au plus éloigné, à un décalage vers le rouge de 1,99 (le dix-septième groupe dans la rangée du bas à partir de la gauche) ; les sept derniers groupes de la rangée du bas ont un décalage vers le rouge incertain. Crédit :Enquête sur le patrimoine CFHT/Enquête CTIO/XXL
Grâce à XXL, c'est la première fois que des scientifiques sont capables de mesurer l'effet de clustering tridimensionnel d'amas de rayons X distants et d'AGN à très grande échelle. Ils peuvent enfin voir où se situent les AGN dans la structure à grande échelle de l'Univers indiquée par les amas de galaxies.
Les résultats confirment que XMM-Newton est une machine d'enquête puissante. Ils ouvrent également la voie à l'analyse cosmologique finale de cette enquête, qui fournira des contraintes indépendantes sur les paramètres cosmologiques pour élucider plus de mystères de l'Univers.
Le réseau cosmique sera sondé plus avant par le futur satellite Euclid de l'ESA, qui observera la lumière émise il y a jusqu'à 10 milliards d'années. Euclide verra un grand nombre de sources, car il détectera la lumière optique et infrarouge ; avec sa grande zone d'étude et sa riche couverture multi-longueurs d'onde, les données XXL serviront de référence pour ces observations.
Les observations de XMM-Newton ont également soulevé de nouvelles questions sur la physique des amas de galaxies, qui sera étudiée plus en détail par la prochaine mission à rayons X de l'ESA, Athéna. En raison du lancement en 2031, Athena sera bien plus sensible que son prédécesseur. Alors que XMM-Newton peut observer des amas à diverses distances de nous, sonder différentes époques de l'histoire de l'Univers, Athéna observera des amas si éloignés que leur lumière les a laissés tels qu'ils se formaient, nous en dit encore plus sur la façon dont ces structures gigantesques prennent forme et évoluent.
En attendant, les scientifiques de la collaboration XXL prévoient de traiter les observations restantes et d'examiner les données à l'aide de techniques de traitement améliorées. La version finale des données XXL contenant encore plus de sources de rayons X, ainsi que l'analyse cosmologique complète, est prévu pour 2021.
"C'est très excitant que les données de ce télescope spatial contribuent à notre compréhension de l'évolution de l'Univers, " conclut Norbert Schartel, Scientifique du projet XMM-Newton à l'ESA. "Cela a été rendu possible grâce à la collaboration entre un grand nombre d'institutions dans de nombreux pays différents."
