Les astronomes observent un géant cosmique en pleine construction, 5 000 fois plus massif que la Voie lactée !

La Voie lactée peut sembler immense à notre échelle. Si elle contient plusieurs centaines de milliards d'étoiles, elle n'est en fait qu'une galaxie parmi les milliards que compte l'Univers observable. Et notre Galaxie n'est elle-même pas isolée : elle appartient au Groupe local, un ensemble de galaxies dominé par la Voie lactée et Andromède, qui interagissent avec de nombreuses galaxies plus petites.

Le Groupe Local contient entre autres la Voie lactée, la galaxie d'Andromède et d'autres galaxies naines. © Universe Map

À une échelle encore supérieure, les galaxies s'organisent en groupes et en amas, reliés par de gigantesques filaments de matière. L'ensemble forme ce que les astronomes appellent la toile cosmique : dans ses régions les plus denses se trouvent les amas de galaxies, qu'on peut visualiser comme de véritables métropoles cosmiques rassemblant parfois des centaines ou des milliers de galaxies. Ces structures n'ont cependant pas toujours existé sous cette forme. Lorsque l'Univers était encore jeune, les galaxies étaient regroupées en concentrations moins organisées, vouées à progressivement se rapprocher et s'assembler. Pour comprendre comment sont apparus les amas que nous observons aujourd'hui, les astronomes cherchent donc leurs ancêtres, les « proto-amas ».

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C'est justement ce que vient d'étudier une équipe internationale d'astronomes, en s'intéressant à deux concentrations particulièrement denses de galaxies baptisées Cosmos-z3.1-A et Cosmos-z3.1-C.

Une structure géante en pleine construction

Les deux structures avaient déjà été repérées grâce au programme Odin, qui cartographie une vaste portion du ciel à l'aide de la caméra DECam installée sur le télescope Blanco, au Chili. Cette première observation avait entre autres permis de savoir où se trouvaient les concentrations de galaxies sur le ciel, mais pas précisément comment elles étaient organisées dans la profondeur de l'espace : deux galaxies qui semblent voisines peuvent en réalité être séparées par des millions d'années-lumière. 

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Les chercheurs ont donc complété les observations avec de nouvelles mesures spectroscopiques. La lumière des galaxies permet alors de déterminer leur « décalage vers le rouge » (redshift), et donc d'estimer leur distance. En combinant ces mesures précises avec les données d'Odin, les astronomes ont pu reconstruire la distribution des galaxies en trois dimensions.

Leurs résultats, publiés dans la revue The Astrophysical Journal, révèlent une structure bien plus complexe qu'une simple concentration de galaxies. Cosmos-z3.1-A compte dix pics de densité distincts, tandis que Cosmos-z3.1-C en possède quatre ; ces concentrations sont irrégulières et allongées, et plusieurs prolongements semblent les relier aux filaments de la toile cosmique qui les alimentent en matière.

Cosmos-z3.1-A est ainsi identifié comme un « proto-superamas », autrement dit l'ancêtre d'un futur ensemble de plusieurs amas de galaxies. Il est observé tel qu'il était alors que l'Univers n'avait que 2,1 milliards d'années, ce qui en fait le proto-superamas le plus lointain et le plus ancien jamais identifié. Sa masse actuelle est estimée à environ 5  000 fois celle de la Voie lactée. Mais le plus intéressant n'est peut-être pas ce record de distance, mais plutôt ce que cette structure nous raconte sur la naissance des géants cosmiques.

Les amas géants se construisent-ils morceau par morceau ?

Les amas de galaxies que nous observons dans l'Univers proche ont eu des milliards d'années pour se former, et leur structure est relativement compacte et régulière. Cosmos-z3.1-A et C ressemble quant à eux encore à des assemblages désordonnés de plusieurs concentrations.

Cette différence correspond précisément à ce que prévoit le modèle cosmologique actuel. Selon le scénario dit de « formation hiérarchique » (bottom-up), les grandes structures de l'Univers se construisent progressivement : de petites concentrations de matière apparaissent d'abord, puis se regroupent et fusionnent pour donner naissance à des structures toujours plus massives.

Les cartes en trois dimensions obtenues par les chercheurs offrent donc une sorte de photographie de ce processus en cours. Les différents « morceaux » du proto-superamas sont encore séparés, tandis que les filaments de la toile cosmique semblent former des voies d'alimentation vers les régions les plus denses. Avec le temps, ces concentrations devraient s'effondrer et fusionner pour former des amas beaucoup plus compacts, comparables à ceux que nous observons dans l'Univers actuel.

Cette animation montre le modèle en 3D du proto-superamas de galaxies Cosmos-z3.1-A, observé alors que l’Univers n’avait que 2,1 milliards d’années. Il s’agit du proto-superamas le plus lointain jamais identifié, avec une masse environ 5 000 fois supérieure à celle de la Voie lactée. © CTIO, NOIRLab, DOE, NSF, AURA, DSS2, NSF–DOE Vera C. Rubin Observatory

Les simulations permettent justement aux chercheurs d'estimer le devenir de ces structures. Cosmos-z3.1-A et Cosmos-z3.1-C devraient toutes deux évoluer vers des ensembles extrêmement massifs, dépassant à terme la masse de l'amas de Coma, l'un des amas de galaxies les plus massifs de notre Univers proche. Selon les chercheurs, leur masse finale devrait dépasser environ un million de milliards de fois celle du Soleil.

En observant ces galaxies situées à plus de dix milliards d'années-lumière, les astronomes ne regardent donc pas seulement des objets très éloignés. Ils remontent dans le temps pour assister à une étape de la construction de l'Univers : celle où les futurs géants cosmiques ne sont encore que des concentrations de galaxies reliées par les filaments de la toile cosmique.