COSMOS-z3.1-A : un gigantesque superamas en devenir observé dans l’Univers jeune

COSMOS-z3.1-A est un proto-superamas exceptionnellement massif, encore en pleine formation. Les astronomes l’observent à un décalage vers le rouge de 3,1 — autrement dit tel qu’il était lorsque l’Univers n’avait qu’environ 2,1 milliards d’années. Il s’agit du plus lointain ancêtre connu d’un superamas de galaxies, une occasion rare d’étudier la construction des plus grandes structures de l’Univers actuel. 15

Une masse immense, un avenir encore estimé

La masse de COSMOS-z3.1-A est évaluée à environ 5 000 fois celle de la Voie lactée. D’après des simulations et des estimations fondées sur la densité observée, cette structure devrait évoluer vers un système d’amas plus massif que l’amas de la Chevelure de Bérénice, aussi appelé amas de Coma, l’un des plus grands amas de galaxies de l’Univers proche. 2510

Cette projection ne constitue toutefois pas une mesure directe de sa masse future : elle dépend des modèles utilisés pour relier une structure très jeune à son descendant à l’époque actuelle.

Plusieurs noyaux reliés par la toile cosmique

COSMOS-z3.1-A ne ressemble pas à un amas de galaxies mature, compact et approximativement sphérique. Il est formé de plusieurs noyaux de protoamas, denses et irréguliers, répartis dans un volume d’environ 90 × 70 × 60 mégaparsecs comobiles. Des prolongements en forme de filaments semblent alimenter ces régions très denses. 1

La structure se situe à l’intersection de filaments de la toile cosmique — le vaste réseau de matière qui relie les galaxies et les amas. La trouver à un stade aussi précoce et avec une telle densité en fait un objet particulièrement rare. 1

Comment les chercheurs l’ont cartographiée

Le relevé ODIN a d’abord repéré de fortes concentrations de galaxies émettant la raie Lyman-alpha, grâce à des images prises en bandes étroites, principalement avec la caméra DECam. Ces galaxies sont de bons repères pour rechercher des régions très denses dans l’Univers lointain. 1

L’équipe a ensuite combiné des observations spectroscopiques de DESI sur de larges zones avec des suivis ciblés effectués avec Gemini South/GMOS et Keck II/DEIMOS. Les spectres ont permis de confirmer les distances des galaxies et de transformer une concentration apparente sur le ciel en une carte tridimensionnelle. Cette cartographie révèle aussi les filaments qui relient les noyaux les plus denses. 1

Une illustration de la croissance hiérarchique

La découverte soutient le scénario cosmologique dit de croissance hiérarchique : les petites structures de matière noire et les groupes de galaxies se forment d’abord, puis fusionnent et captent de la matière le long des filaments pour bâtir des amas, puis des systèmes encore plus vastes. 110

COSMOS-z3.1-A montre précisément cette phase intermédiaire : plusieurs protoamas distincts sont plongés dans un réseau filamentaire qui les alimente, plutôt qu’au sein d’un unique amas déjà stabilisé.

Le lien, limité, avec les résultats de James-Webb

Cette découverte est distincte d’un autre résultat obtenu avec le télescope spatial James-Webb (JWST), qui concerne les étoiles à l’intérieur de certaines galaxies massives de l’Univers jeune. Les spectres d’un petit échantillon suggèrent que ces galaxies pourraient contenir bien plus d’étoiles peu massives et peu lumineuses qu’attendu. Leur masse stellaire estimée pourrait alors être multipliée par trois ou quatre dans certains cas. 4913

COSMOS-z3.1-A fournit un environnement crédible pour une assemblage rapide des galaxies : des nœuds très denses, continuellement nourris par les filaments de la toile cosmique. Mais il ne résout pas, à lui seul, la question posée par les masses stellaires estimées avec JWST. Former rapidement une grande structure dominée par la matière noire n’explique pas automatiquement comment ses galaxies ont produit leurs étoiles, ni quelle a été leur répartition en masses.

La suite : repérer davantage de protoamas

Le relevé LSST de l’observatoire Vera C. Rubin, désormais en activité, doit fournir des images profondes, répétées et prises dans plusieurs bandes sur une très grande partie du ciel. Il devrait considérablement accroître le nombre de candidats protoamas à grand décalage vers le rouge et permettre de mieux cartographier leur environnement. Des observations spectroscopiques resteront néanmoins indispensables pour déterminer avec précision leurs positions en trois dimensions et reconstituer leur évolution. 13