Grâce à ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), dont l'ESO est partenaire, des astronomes ont découvert un grand réservoir de gaz chaud dans l'amas de galaxies encore en formation autour de la galaxie de la Toile d'Araignée - la détection la plus lointaine de gaz chaud à ce jour. Les amas de galaxies comptent parmi les plus grands objets connus dans l'Univers et ce résultat, publié dans la revue Nature, révèle une fois de plus la précocité de la formation de ces structures.
Les amas de galaxies, comme leur nom l'indique, abritent un grand nombre de galaxies, parfois même des milliers. Ils contiennent également un vaste "milieu intra-amas" (ICM pour intracluster medium) de gaz qui imprègne l'espace entre les galaxies de l'amas. Ce gaz pèse en fait beaucoup plus lourd que les galaxies elles-mêmes. Une grande partie de la physique des amas de galaxies est bien comprise, mais les observations des premières phases de formation du ICM restent rares.Auparavant, le ICM n'avait été étudiée que dans les amas de galaxies proches entièrement formés. La détection d'un ICM dans les amas de galaxies éloignés, c'est-à-dire les amas de galaxies encore en formation, permettrait aux astronomes d'observer ces amas aux premiers stades de leur formation. Une équipe dirigée par Luca Di Mascolo, premier auteur de l'étude et chercheur à l'université de Trieste, en Italie, s'est attachée à détecter un ICM dans un amas de galaxies aux premiers temps de l'Univers.
Les amas de galaxies sont si massifs qu'ils peuvent rassembler du gaz qui se réchauffe en tombant vers l'amas. "Les simulations cosmologiques prédisent la présence de gaz chaud dans les amas de galaxies depuis plus d'une décennie, mais les observations n'ont pas permis de le confirmer", explique Elena Rasia, chercheuse à l'Institut national italien d'astrophysique (INAF) de Trieste, en Italie, et coauteure de l'étude. "La recherche d'une telle confirmation observationnelle nous a conduits à sélectionner l'un des candidats les plus prometteurs de clusters en formation ou proto-amas". Il s'agit de proto-amas de la Toile d'Araignée, situé à une époque où l'Univers n'avait que 3 milliards d'années. Bien qu'il s'agisse du proto-amas le plus étudié, la présence d'un ICM est restée incertaine. La découverte d'un grand réservoir de gaz chaud dans ce proto-amas indiquerait que le système est en passe de devenir un véritable amas de galaxies de longue durée plutôt que de se disperser.
L'équipe de Luca Di Mascolo a détecté le ICM du proto-amasr de la Toile d'Araignée grâce à ce que l'on appelle l'effet thermique Sunyaev-Zeldovich (SZ). Cet effet se produit lorsque la lumière du fond diffus cosmologique - le rayonnement résiduel du Big Bang - traverse l'ICM. Lorsque cette lumière interagit avec les électrons en mouvement rapide dans le gaz chaud, elle gagne un peu d'énergie et sa couleur, ou longueur d'onde, change légèrement. "Aux bonnes longueurs d'onde, l'effet SZ apparaît donc comme un effet d'ombre d'un amas de galaxies sur le fond diffus cosmologique", explique Luca Di Mascolo.
En mesurant ces ombres sur le fond diffus cosmologique, les astronomes peuvent donc déduire l'existence du gaz chaud, estimer sa masse et cartographier sa forme. "Grâce à sa résolution et à sa sensibilité inégalées, ALMA est la seule installation actuellement capable d'effectuer une telle mesure pour les lointains progéniteurs d'amas massifs", explique Luca Di Mascolo.Les chercheurs ont déterminé que le proto-amas de la Toile d'Araignée contient un vaste réservoir de gaz chaud à une température de quelques dizaines de millions de degrés Celsius. Auparavant, du gaz froid avait été détecté dans ce proto-amas, mais la masse de gaz chaud découverte dans cette nouvelle étude la dépasse de plusieurs milliers de fois. Cette découverte montre que l'amas de galaxies de la Toile d'Araignée devrait effectivement se transformer en un amas de galaxies massif dans environ 10 milliards d'années, sa masse augmentant d'au moins un facteur dix.
Tony Mroczkowski, co-auteur de l'article et chercheur à l'ESO, explique que "ce système présente d'énormes contrastes. La composante thermique chaude détruira une grande partie de la composante froide au cours de l'évolution du système, et nous assistons à une transition délicate". Il conclut que "ce système confirme par l'observation les prédictions théoriques de longue date sur la formation des plus grands objets gravitationnellement liés de l'Univers".
Ces résultats contribuent à jeter les bases de synergies entre ALMA et le futur très grand télescope (ELT) de l'ESO, qui "révolutionnera l'étude de structures telles que celle de la Toile d'Araignée", explique Mario Nonino, co-auteur de l'étude et chercheur à l'Observatoire astronomique de Trieste. L'ELT et ses instruments de pointe, tels que HARMONI et MICADO, seront en mesure de scruter les proto-amas et de nous fournir des informations détaillées sur les galaxies qui s'y trouvent. Avec les capacités d'ALMA à suivre la formation du ICM, cela donnera un aperçu crucial de l'assemblage de certaines des plus grandes structures de l'Univers primitif.