L'effet SZ

Comment le rayonnement fossile met en lumière les amas de galaxies ?

Dans l'Univers, on observe que la matière est distribuée de façon très inhomogène. Les étoiles se rassemblent dans les galaxies et les galaxies se regroupent entre elles, formant ainsi d'énormes amas de galaxies et laissant entre eux d'immenses espaces vides. Les superamas sont des structures plus gigantesques encore : larges ensembles de groupes et d'amas de galaxies, ils sont situés à l'intersection des feuillets et des filaments de la toile cosmique. Les amas et superamas de galaxies sont les plus grandes structures observables de la distribution de matière dans l'Univers, que celle-ci soit lumineuse ou sombre.
Confronter nos observations aux prédictions de nos modèles cosmologiques est crucial pour comprendre comment les structures cosmiques se sont formées et ont évolué !

« En parallèle à son objectif principal – observer la toute première lumière de l'Univers, le rayonnement fossile – le satellite Planck est également un outil idéal pour détecter un grand nombre d'amas de galaxies » déclare Francois Bouchet de l'IAP.
Avec ses neuf bandes de fréquence, s'étendant des longueurs d'onde millimétrique à l'infrarouge lointain, Planck permet d'identifier et de soustraire toutes les sources de contamination du rayonnement fossile, et ainsi se révèle un excellent chasseur d'amas de galaxies. Car le rayonnement fossile, observé à la sensibilité de Planck, se révèle être un écran brillant, qui éclaire les amas de galaxie en « ombre chinoise », et permet ainsi leur détection.

« Les canaux en fréquence ont été soigneusement choisis par les concepteurs de Planck avec un phénomène bien particulier en tête, l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) » rappelle Jean-Loup Puget de l'IAS, et P.I. de Planck-HFI. Cet effet décrit le changement d'énergie qui affecte les photons du rayonnement fossile lorsqu'ils rencontrent sur leur chemin un amas de galaxies, laissant ainsi une signature caractéristique sur le rayonnement fossile lui-même.

 

Schéma illustrant comment un photon du rayonnement fossile à 143 GHz est affecté s'il traverse un amas de galaxies : son énergie augmente, ce qui se traduit par une augmentation de sa fréquence. C'est une diffusion entre un photon du rayonnement fossile et un électron de l'amas : le photon fossile peut venir de n'importe quelle direction mais le photon diffusé, celui vu par les détecteurs de Planck, vient de la direction de l'amas.

 

« Quand les photons fossiles du Big-Bang se propagent dans l'Univers, ils interagissent avec la matière qu'ils rencontrent : lorsqu'ils traversent un amas de galaxies, par exemple, ces photons diffusent sur les électrons libres présents dans le gaz chaud qui emplit les amas » explique Nabila Aghanim de l'IAS. « Ces collisions redistribuent les fréquences des photons d'une façon bien particulière qui nous permet d'isoler le signal perturbé par un amas. »

Les électrons du gaz chaud de l'amas étant bien plus énergétiques que les photons du rayonnement fossile, le résultat des interactions entre ces deux types de particules est un gain d'énergie dans le domaine submillimétrique. Ainsi, lorsqu'on observe le rayonnement fossile en direction d'un amas de galaxies, on observe un déficit (tâche sombre) aux basses énergies et au contraire un surplus de photons aux plus hautes énergies (tâche brillante). Le seuil en fréquence séparant la perte et le gain d'énergie est de 217 GHz.

« L'existence de ce seuil pour l'effet SZ se traduit en une tâche caractéristique sur la carte du ciel micro-ondes dans la direction d'un amas, avec un signal négatif pour les fréquences inférieures à 217 GHz et positif pour les fréquences supérieures » nous explique Nabila.*

L'effet SZ vu par Planck

 

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(1) La frise d'images est l'assemblage des cartes d'un amas de galaxie connu et proche, Abell 2319, observé dans 7 des bandes de fréquence des deux instruments de Planck, LFI et HFI (44 à 545 GHz). Le signal SZ observé (tâche centrale) est indiqué en bleu lorsque l'observation du rayonnement fossile montre un manque de photons et en rouge lorsque on observe un excès.

(2) Le schéma montre les bandes de fréquence du satellite Planck correspondant aux observations (bandes de sensibilité de LFI à 44 et 70 GHz en bleu clair, bandes de sensibilité de HFI de 100 à 545 GHz en bleu foncé), ainsi que la prédiction de variation de flux due à l'effet SZ.

En comparant les 2 figures on constate que l'accord entre prédiction et observation est remarquable !

Crédit : ESA, Planck HFI & LFI consortia.

 

L'effet SZ, bien que spectaculaire, ne permet pas seul d'affirmer qu'une détection est un amas de galaxie, d'autant plus si cet amas est « petit » . La conception de Planck, optimisée pour détecter le signal SZ des amas distribués sur tout le ciel, n'est pas optimisée pour l'étude de la structure interne des amas de galaxie – sa résolution angulaire étant simplement insuffisante pour cela. Utiliser d'autres instruments est alors nécessaire pour traquer les détails de ces structures massives. Or le gaz chaud des amas de galaxies est brillant dans le domaine des rayons X et les observations à ces fréquences s'avèrent précieuses.

 

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L'amas proche Coma, bien étudié, est très chaud et contient un millier de galaxies identifiées. Il présente une émission forte dans le domaine des rayons X (3) obtenue avec le satellite ROSAT, contient essentiellement des galaxies elliptiques (2) obtenue par le Digitized Sky Survey et montre un effet Sunyaev-Zel'dovich fort et étendu (1) obtenue avec Planck.
Ces images font environ 2 degrés de côté et couvrent tout l'amas.

Crédit : ESA, Planck HFI & LFI consortia, NASA, ESA, and the Digitized Sky Survey and ROSAT.

 

Ainsi, afin de confirmer leur nature, les « candidats amas » détectés par Planck sont comparés avec des catalogues d'amas, comme celui du satellite ROSAT qui a observé la totalité du ciel en X. Si aucune association n'est trouvée, des « candidats nouvel amas » sont proposés pour des observations par l'observatoire X de l'ESA, le satellite XMM-Newton.

« Avec sa sensibilité exceptionnelle, XMM-Newton est le partenaire idéal pour le suivi rapide des sources détectées par Planck via l'effet SZ » nous dit Monique Arnaud du IRFU-SAp. C'est en fait la synergie parfaite entre ces deux missions de l'ESA qui permet aux astronomes de confirmer que ces premières découvertes de Planck sont effectivement des amas et a permis de mettre en évidence une structure plus large encore : un superamas de galaxies.

« Les observations de XMM-Newton ont montré que l'un des « candidats nouvel amas » est en fait un superamas composé au moins de trois amas de galaxies massifs : Planck seul ne pouvait résoudre ces amas individuellement. » nous explique Monique.

« C'est la première fois qu'un super-amas est découvert par effet SZ » ajoute Nabila « Cette découverte importante ouvre une nouvelle fenêtre sur l'étude des superamas, elle est complémentaire de l'observation des galaxies qui les composent et des effets de lentilles gravitationnels qu'ils induisent. Nous pourrons ainsi mesurer la quantité de matière noire présente dans ces structures ». L'émission SZ de ce superamas fraîchement découvert par Planck provient de l'émission de ses composantes individuelles auxquelles s'ajoute probablement une composante associée à un filament de matière. Nous pouvons en déduire la distribution du gaz à très grande échelle et la distribution de matière noire sous-jacente, l'un des grands mystères de la cosmologie à ce jour.

« Des observations plus détaillées de ces amas et superamas, à la fois via l'effet SZ ou l'émission en X, ainsi que d'autres observations à des longueurs d'ondes complémentaires, vont jeter une nouvelle lumière sur les processus physiques à l'œuvre au sein des amas de galaxies et nous permettrons de préciser les relations entre galaxies, gaz et matière noire dans ces objets exceptionnels » commente Monique

Le satellite Planck devrait poursuivre ses observations au moins un an de plus. Avec le temps la précision de ses mesures va s'améliorer et le catalogue d'amas de galaxies détectés par Planck va s'étoffer. Un second travail va alors débuter. L'étude statistique du catalogue d'amas de galaxies dans le but confronter les observations de Planck avec les prédictions de la cosmologie.
« Un seul amas de galaxie ne permet pas de comprendre le scénario de la formation des grandes structures de matières de notre univers », nous dit Dominique Yvon de l'IRFU/SPP. « Pour cela, il est indispensable de connaître les abondances d'amas de galaxies en fonction de leur masse et de leur distance – la distance étant directement associée au temps dans l'histoire de l'Univers »

Le satellite Planck va permettre d'obtenir un catalogue plus complet et sur une plus grande échelle de temps. Son exploitation, associée aux observations du satellite XMM permettra une avancée décisive sur le sujet.

Crédit : ESA, Pnck HFI & LFI consortia, NASA, ESA, and the Digitized Sky Survey and ROSAT.

Crédit : ESA, Planck HFI & LFI consortia.