La toile cosmique se révèle grâce à l’instrument MUSE


Les filaments intergalactiques de la toile cosmique sont une découverte récente. Les astrophysiciens pensent qu’ils structurent l’ensemble de l’Univers et que les amas de galaxies et les super amas qui rassemblent plusieurs milliers de galaxies se forment en grappe à leur croisée. Ils ont longtemps échappé à l’œil des astrophysiciens et de leurs télescopes car même s’ils s’étendent sur des millions d’années-lumière ils sont très ténus : la densité de matière qu’ils contiennent est infime, de l’ordre de moins de dix particules par mètre cube, soit bien inférieure au “vide le plus vide” que l’on peut créer sur Terre. Malgré cette faible densité, ils pourraient rassembler jusqu’à 50% de la matière totale de l’Univers, leur connaissance est donc fondamentale pour comprendre l’évolution de ce dernier.

MUSE dévoile les filaments cosmiques

Fin 2019, une équipe japonaise menée par Hideki Umehata du groupe Riken de l’Université de Tokyo avait réussi à obtenir une première image de ces filaments d’hydrogène à l’intérieur d’un proto-amas de la constellation du Verseau, à 12 milliards d’années-lumière de la Terre. Une prouesse réalisée grâce à l’instrument MUSE installé sur le Très Grand Télescope (VLT) de l’ESO de l’Observatoire Paranal au nord du Chili. “Ils ont été repérés autour de quasars, des noyaux de galaxies actifs, très lumineux qui agissent comme des phares ultra-puissants pour les éclairer en quelque sorte. Mais la région qui a été imagée n’est pas représentative de leur structure générale” explique à Sciences et Avenir Roland Bacon, du Centre de recherche astrophysique de Lyon et concepteur de MUSE.

MUSE est composé de 24 spectrographes qui séparent la lumière en ses différentes composantes (correspondantes aux couleurs). Cela permet de constituer à la fois des images et des spectres de régions spécifiques du ciel. Couplé à un mécanisme d’optique adaptative qui permet de corriger les turbulences atmosphériques, il constitue l’un des plus puissants instruments jamais construits pour sonder l’Univers et particulièrement lorsqu’il était bien plus jeune.

L’instrument a été à nouveau mobilisé pour observer des filaments cosmiques dans des régions plus représentatives de l’Univers. Mais pour accéder à ces imperceptibles structures, il faut s’armer de patience ! Ainsi pour cette recherche Roland Bacon et son équipe ont scruté une seule région du ciel pendant 140 heures. La zone choisie fait partie du champ ultra profond de Hubble, l’image la plus profonde du cosmos qui révèle l’existence de dizaines de milliers de galaxies. “Toutes ces heures d’observations ainsi que près d’une année de traitement et d’analyse des données nous ont permis pour la première fois d’observer la lumière de filaments cosmiques entre 1 et 2 milliards d’années après le Big-bang et d’obtenir des images de plusieurs d’entre eux” indique le chercheur.

Un des filaments d’hydrogène (en bleu) découverts par MUSE dans le champ ultra-profond de Hubble. Il est situé dans la constellation du Fourneau, à 11,5 milliards d’années-lumière et s’étend sur plus de 15 millions d’années-lumière. L’image en arrière-plan est celle de Hubble. Crédit : Roland Bacon, David Mary, ESO et NASA.

Des milliards de galaxies naines pour sortir de l’âge sombre

En soi, cette réalisation qui pousse à ses limites l’instrument MUSE est un remarquable résultat, elle fait d’ailleurs l’objet d’une publication dans la revue Astronomy & Astrophysics. Mais une grosse surprise se cachait aussi dans les données : “Jusqu’ici on pensait que les nuages de gaz qui composent les filaments étaient chauffés par le fond diffus ultraviolet cosmique et émettait par fluorescence la lueur extrêmement faible qui a permis de les repérer. Ce fond ultraviolet est la somme de toute la lumière émise par les étoiles, les trous noirs et les galaxies de l’Univers. Mais on s’est rendu compte qu’il n’était pas du tout suffisant pour produire le rayonnement qu’on observe” précise Roland Bacon.

Il a donc fallu replonger dans les données de MUSE et les réanalyser pour arriver à une conclusion surprenante : des simulations indiquent que la brillance des filaments est causée par une population de galaxies naines, invisibles dans les images. Elles sont des milliards, d’une masse inférieure à 1 million de masses solaires : elles sont donc trop petites et trop faiblement lumineuses pour être détectées par les télescopes actuels. Mais en leur sein de nombreuses étoiles apparaissent : “En fait il y en a sans doute suffisamment pour expliquer une phase importante de l’évolution de l’Univers, celle de la réionisation” observe le chercheur. Moins d’un milliard d’années après le Big-Bang, l’Univers n’était pas entièrement transparent : il était alors rempli d’un brouillard d’hydrogène qui avait pour particularité d’absorber le rayonnement ultraviolet émis par les toutes jeunes galaxies. Mais il s’est soudainement éclairci, passant du stade d’âge sombre à celui d’Univers transparent, c’est-à-dire lumineux. C’est que les astronomes appellent la réionisation et les mécanismes sous-jacents ne sont pas encore entièrement définis. Les étoiles de ces milliards de galaxies constituent une nouvelle source d’énergie possible pour l’expliquer même si cette théorie devra être validée par d’autres études.

Les 2250 galaxies du « cône » d’Univers observé par MUSE sont représentées ici en fonction de l’âge de l’Univers (en milliards d’années). La période de l’Univers jeune (de 0,8 à 2,2 milliards d’années après le Big-Bang) explorée dans cette étude est représentée en rouge. Les 22 régions de sur-densité de galaxies sont marquées par des rectangles gris. Les 5 régions où des filaments ont été identifiés de manière la plus significative sont identifiées en bleu. Crédit : Roland Bacon / David Mary.

Quoiqu’il en soit, ces premières images de filaments cosmiques vont permettre de mieux comprendre ces structures qui forment le squelette de l’Univers et contribuent à son évolution. Pour mieux les comprendre, il faudra aussi regarder un peu plus près de nous, “ce qui revient à observer des régions plus jeunes autour de 3 ou 4 milliards d’années après le Big-Bang. Pour cela on développe un nouvel instrument, Blue-Muse, qui aura un champ plus grand et observera un peu plus dans le bleu. Plus proche on pourra mieux détecter et donc étudier la toile cosmique avec des temps d’observation plus courts” explique Roland Bacon. Mais comme toujours, la patience sera de rigueur puisque la construction de ce nouvel instrument demandera… une petite dizaine d’années.



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