Comment l'Univers a-t-il pu former des structures aussi denses et extrêmement chaudes seulement 1,4 milliard d'années après le Big Bang ? Cette question émerge avec la découverte récente d'un amas de galaxies qui remet en cause nos connaissances sur l'évolution cosmique, en présentant des caractéristiques inattendues pour son âge.
Des astronomes utilisant le réseau ALMA au Chili ont identifié un amas nommé SPT2349-56, observé à une époque où l'Univers était encore jeune. Cet amas rassemble plus de 30 galaxies dans un volume compact, semblable à la taille du halo de notre Voie lactée. Sa densité et sa chaleur inhabituelles ont attiré l'attention de la communauté scientifique.
Une impression d'artiste de l'amas de galaxies dans l'Univers très jeune. Il contient environ 30 galaxies, dont trois avec des trous noirs supermassifs, et est rempli d'un gaz extrêmement chaud.
Crédit: Lingxiao Yuan. La surprise principale vient de la température du gaz qui emplit l'amas, appelé milieu intra-amas. Ce gaz est au moins cinq fois plus chaud que les prédictions théoriques, atteignant des niveaux qui dépassent ceux observés dans de nombreux amas actuels. Dazhi Zhou, auteur principal de l'étude, a exprimé son étonnement face à cette chaleur précoce, qui indique une évolution plus rapide que prévu.
Afin de mesurer cette température, les chercheurs ont eu recours à l'effet Sunyaev-Zeldovich. Ce phénomène permet de détecter comment les photons du fond diffus cosmologique, la lueur résiduelle du Big Bang, interagissent avec les électrons du milieu intra-amas. Plus le gaz est chaud, plus les électrons transfèrent d'énergie aux photons, laissant une signature observable dans les données astronomiques.
D'autres amas précoces, comme z660D ou A2744z7p9OD, ont été découverts à des époques encore plus anciennes. Cependant, ils sont qualifiés de protoclusters, car ils ne sont pas encore liés gravitationnellement de manière stable. Contrairement à eux, SPT2349-56 présente déjà une atmosphère surchauffée, ce qui montre que son évolution a été accélérée, bousculant les modèles établis.
Par ailleurs, la formation d'étoiles au sein de cet amas est extrêmement intense. Les galaxies membres produisent des étoiles à un rythme cinq mille fois supérieur à celui de notre Voie lactée. Cette activité frénétique, couplée à la présence de trous noirs supermassifs, pourrait contribuer à la chaleur inhabituelle observée dans le milieu intra-amas.
Cette observation ouvre de nouvelles perspectives sur la formation et le chauffage des amas de galaxies. Les astronomes cherchent maintenant à comprendre les interactions entre la formation stellaire, les trous noirs et l'atmosphère surchauffée. Les résultats ont été publiés dans la revue
Nature, offrant un regard inédit sur l'Univers jeune.
L'effet Sunyaev-Zeldovich
L'effet Sunyaev-Zeldovich est un phénomène clé en cosmologie pour étudier les amas de galaxies. Il se produit lorsque les photons du fond diffus cosmologique, la radiation résiduelle du Big Bang, traversent le gaz chaud d'un amas. En interagissant avec les électrons de ce gaz, les photons gagnent de l'énergie, modifiant légèrement leur fréquence.
Cette modification permet aux astronomes de mesurer indirectement la température du milieu intra-amas, sans avoir besoin d'observer directement le gaz. L'effet est particulièrement utile pour détecter des amas lointains, car il ne dépend pas de leur distance, seulement de la densité et de la chaleur du gaz.
En pratique, les télescopes comme ALMA ou des observatoires dédiés au fond diffus cosmologique utilisent cet effet pour cartographier la distribution des amas dans l'Univers. Cela aide à comprendre comment les structures cosmiques se sont formées et ont évolué au fil du temps.
L'application de l'effet Sunyaev-Zeldovich à SPT2349-56 a révélé une température exceptionnellement élevée, confirmant que cet amas est un cas particulier dans l'histoire cosmique.