Redessiner l'Univers en rayons X

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