COSMOS-z3.1-A : aux origines des plus grands ensembles de galaxies

COSMOS-z3.1-A n’est pas un amas de galaxies déjà stabilisé : c’est un proto-superamas, autrement dit l’ancêtre d’un futur « amas d’amas ». Les astronomes l’observent à une époque où l’Univers n’avait qu’environ 2,1 milliards d’années. Sa masse est estimée à quelque 5 000 fois celle de la Voie lactée. 15

C’est le plus lointain progéniteur de superamas de galaxies identifié à ce jour. Les estimations fondées sur la surdensité de matière observée et sur des modèles d’évolution cosmique suggèrent que COSMOS-z3.1-A — ainsi que COSMOS-z3.1-C — pourrait, à l’époque actuelle, devenir plus massif que l’amas de Coma, l’un des plus imposants amas de galaxies de l’Univers proche. Il s’agit d’une projection, et non d’une mesure directe de sa masse future : l’étude avance des masses descendantes d’au moins (10^{15,3}) masses solaires pour ces systèmes extrêmes. 1

Une structure en cours d’assemblage

L’intérêt de COSMOS-z3.1-A tient aussi à son apparence. Au lieu d’un objet sphérique et régulier, comparable à un amas mature, il se présente comme un ensemble fragmenté et irrégulier, fait de plusieurs noyaux denses.

Ces concentrations se trouvent dans une région exceptionnellement surdense, aux points de rencontre de filaments de la toile cosmique. Ces filaments sont les vastes structures de matière qui relient les régions les plus denses de l’Univers ; les prolongements observés autour des noyaux semblent les alimenter en galaxies et en matière. 14

Cette configuration fait de COSMOS-z3.1-A un objet plus rare encore qu’un simple protoamas. Il s’agit d’une étape précoce dans la construction d’un système appelé à réunir plusieurs grands amas de galaxies. 7

Comment ODIN a transformé une concentration apparente en carte 3D

La découverte est issue du relevé ODIN, conçu pour repérer des protoamas très lointains. Il utilise notamment des galaxies émettant la raie Lyman-alpha comme traceurs : leur lumière permet de repérer des concentrations de galaxies à très grand décalage vers le rouge.

Dans le champ COSMOS, ODIN s’est appuyé sur de l’imagerie à bande étroite réalisée avec la Dark Energy Camera (DECam). Ces données ont permis de sélectionner des concentrations candidates à un décalage vers le rouge de 3,1. 335

Mais une accumulation de galaxies sur une image du ciel ne prouve pas, à elle seule, qu’elles sont physiquement liées : elles peuvent simplement sembler proches dans notre ligne de visée. L’équipe a donc complété l’imagerie par des observations spectroscopiques avec :

• le Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) ;
• l’instrument GMOS du télescope Gemini South ;
• l’instrument DEIMOS du télescope Keck II.

La spectroscopie fournit des décalages vers le rouge précis et permet donc de situer les galaxies dans les trois dimensions. Elle a révélé les noyaux denses de COSMOS-z3.1-A, leur environnement étendu et les filaments qui les relient. 135

Un exemple de croissance « par le bas »

Dans le modèle cosmologique dominant, les grandes structures se forment de manière hiérarchique : de petits halos de matière et des groupes de galaxies apparaissent d’abord, puis fusionnent et attirent de la matière supplémentaire pour former des ensembles toujours plus massifs.

COSMOS-z3.1-A correspond bien à ce scénario. Ses multiples composantes en développement, immergées dans un réseau de filaments, montrent une structure qui se bâtit progressivement plutôt qu’un amas déjà formé d’un seul bloc. Les filaments peuvent canaliser matière et galaxies vers les nœuds les plus denses, favorisant leur croissance sur des milliards d’années. 17

L’observation offre ainsi une fenêtre rare sur une phase intermédiaire : celle qui relie de plus petits protoamas aux plus vastes systèmes d’amas observés dans l’Univers voisin. 14

Aucun lien direct avec les « étoiles cachées » observées par JWST

Cette découverte concerne les environnements à grande échelle : régions riches en matière noire, groupes de galaxies, filaments et protoamas. Elle ne doit pas être confondue avec un résultat distinct obtenu grâce au télescope spatial James-Webb (JWST), qui porte sur la population d’étoiles au sein de certaines galaxies précoces.

Dans cette autre étude, menée sur neuf galaxies massives de l’Univers jeune, les chercheurs ont trouvé des indices d’une population bien plus abondante que prévu d’étoiles petites et peu lumineuses. Ces étoiles peuvent représenter une part importante de la masse stellaire tout en contribuant peu à la lumière reçue. Dans les cas les plus extrêmes, la masse stellaire déduite pourrait être jusqu’à environ quatre fois supérieure aux estimations antérieures. 192027

Les deux résultats sont complémentaires, sans constituer une explication complète l’un de l’autre. COSMOS-z3.1-A décrit un environnement susceptible de favoriser l’assemblage rapide des galaxies ; l’étude JWST modifie, elle, l’évaluation de la masse cachée dans certaines de ces galaxies. Ensemble, ils rendent plus aiguë une question centrale : comment les galaxies massives et les régions les plus denses de l’Univers ont-elles pu se constituer aussi tôt après le Big Bang ? 11722

La suite : cartographier davantage de régions lointaines

L’observatoire Vera C. Rubin a lancé le Legacy Survey of Space and Time (LSST). Ses premières données scientifiques issues de la caméra LSST incluent des observations profondes du champ COSMOS. 3336

Grâce à son imagerie vaste et profonde, Rubin devrait aider à repérer un nombre beaucoup plus élevé de surdensités candidates dans l’Univers lointain. La spectroscopie restera toutefois indispensable : elle seule permet de vérifier qu’une concentration vue en deux dimensions correspond réellement à une structure tridimensionnelle en formation. Le travail d’ODIN sur COSMOS-z3.1-A illustre toute la puissance de cette combinaison entre imagerie à grand champ et suivi spectroscopique ciblé. 13