La matière n'est pas uniformément répartie dans l'univers. Si nous dézoomons beaucoup, nous voyons de longues traînées de galaxies qui forment des structures gigantesques. Notre Voie lactée fait partie d'un tel superamas, appelé Laniakea.
La matière n'est pas uniformément répartie dans l'univers. Si nous dézoomons beaucoup, nous voyons de longues traînées de galaxies qui forment des structures gigantesques. Notre Voie lactée fait partie d'un tel superamas, appelé Laniakea.
Supposons que vous visitiez une galaxie lointaine et que vous vouliez envoyer une carte à votre famille sur Terre. Bien sûr, il doit y avoir une adresse dessus. Vous pouvez commencer par votre rue et votre numéro de maison, votre lieu de résidence dans un pays quelque part sur terre, la troisième planète à partir du soleil.
Ensuite, vous listez la position du soleil dans le bras d'Orion - une partie de l'un des bras spiraux de la périphérie de la Voie lactée - suivie de la position de la Voie lactée dans le groupe local, une collection de plus de cinquante galaxies d'un diamètre de 7 millions Années lumière. Le groupe local est situé à la périphérie de l'amas de la Vierge, un amas de plus d'un millier de galaxies à 50 millions d'années-lumière de nous, qui lui-même est une petite partie du superamas local, un conglomérat de centaines de groupes de galaxies couvrant une distance de plus de 100 millions d'années-lumière.
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En bref
- Les galaxies forment des amas et des superamas. Ce sont les éléments constitutifs de gigantesques filaments, membranes et cavités, les plus grandes structures observables de l'univers.
- Selon des recherches récentes, le superamas dont notre Voie lactée fait partie est beaucoup plus grand que nous ne le pensions. Les astronomes l'ont nommé Laniakea.
- La cartographie de Laniakea et d'autres superamas pourrait résoudre l'origine des galaxies et les mystères cosmologiques de la matière noire et de l'énergie noire.
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Les scientifiques pensent que ces superamas sont les plus grands éléments constitutifs des structures de l'univers à la plus grande échelle. Ils forment de longues chaînes (filaments) et des membranes (feuilles) de galaxies autour d'énormes vides ou cavités où il n'y a pratiquement pas de galaxies.
Jusqu'à récemment, le Superamas local aurait été la dernière ligne de votre adresse cosmique. À une échelle encore plus grande, il serait inutile d'ajouter d'autres espaces réservés. La structure relativement nette de chaînes et de toiles de superamas qui subsiste disparaît et laisse place à un espace immense et homogène dans lequel on ne distingue plus les structures.
Plusieurs lignes d'adresse
En 2014, une équipe de recherche dirigée par l'un d'entre nous (Tully) a découvert que nous faisions partie d'une structure si incroyablement grande que nous devions repenser radicalement notre vision du cosmos. Le superamas local n'est qu'une des nombreuses excroissances d'un superamas beaucoup plus grand qui s'étend à 400 millions d'années-lumière. L'équipe qui a découvert ce superamas géant l'a nommé Laniakea, hawaïen pour "ciel incommensurable". C'est un hommage aux premiers Polynésiens qui s'orientaient par les étoiles lors de leurs voyages à travers l'océan Pacifique. Notre Voie Lactée est située loin du centre de Laniakea, à l'extrême périphérie.
Laniakea est plus qu'une simple ligne supplémentaire dans notre adresse cosmique. En étudiant l'architecture et les mouvements de ces immenses structures, nous pouvons en apprendre davantage sur le passé et l'avenir de l'univers. L'étude de la localisation et du comportement des galaxies qui la composent permet de mieux comprendre comment les galaxies se forment et grandissent. Ensuite, nous pourrons peut-être aussi comprendre ce qu'est la matière noire. La substance invisible qui constitue environ 80 % de la matière de l'univers.
Nous ne pouvons pas voir la matière noire, mais nous pouvons prédire avec un degré raisonnable de précision où cette substance invisible s'accumule
Laniakea peut également aider à percer le mystère de l'énergie noire. Il s'agit d'une force très puissante qui n'a été découverte qu'en 1998 et qui, d'une manière ou d'une autre, est à l'origine de l'expansion accélérée de l'univers. Elle détermine ainsi comment le cosmos finira par se terminer. Peut-être que ce superamas n'est pas non plus la dernière ligne de notre adresse cosmique. Il peut faire partie d'une structure encore plus grande qui n'a pas encore été découverte.
Matière noire
En fait, l'équipe qui a découvert Laniakea ne la cherchait pas du tout. Il a cherché à trouver des réponses à certaines questions fondamentales sur la nature de l'univers. On sait depuis près de cent ans que l'univers est en expansion, les galaxies s'éloignant les unes des autres comme des points sur un ballon qui se gonfle. Au cours des dernières décennies, il est devenu clair que la plupart des galaxies s'éloignent les unes des autres à un rythme plus lent que ce à quoi on pourrait s'attendre si l'expansion de l'univers était la seule force agissant sur elles.
Il y a une autre force à l'œuvre, plus locale :l'attraction gravitationnelle d'autres amas de matière voisins, tirant sur la galaxie en question et contrebalançant le mouvement que la galaxie fait à la suite de l'expansion. Si nous soustrayons le mouvement d'une galaxie résultant de son expansion et le mouvement résultant des forces gravitationnelles dans son environnement, il nous reste la vitesse particulière.
Si nous prenons toutes les étoiles de toutes les galaxies que nous pouvons voir et ajoutons tous les gaz et autres formes de matière ordinaire que nous connaissons, nous arrivons à une masse qui est un facteur dix trop petite pour expliquer d'où viennent les forces gravitationnelles. .provoquant les vitesses particulières observées. Parce que nous, les astronomes, ne savons pas exactement ce que c'est, nous appelons la matière manquante "matière noire" faute de mieux.
Nous soupçonnons que la matière noire est constituée de particules qui interagissent avec le reste de l'univers presque exclusivement par gravité. Ils n'interagissent pas par d'autres forces, par exemple l'électromagnétisme. Et la matière noire fournit les forces gravitationnelles "manquantes" nécessaires pour expliquer les vitesses observées. Les scientifiques pensent que les galaxies flottent dans un bassin profond de matière noire, qui agit comme un cadre autour duquel une galaxie s'agglutine.
Mouvement des galaxies
Nous pouvons déterminer la distribution de la matière noire invisible dans le cosmos si nous cartographions les mouvements et les vitesses particulières des galaxies. En étudiant l'influence gravitationnelle sur les mouvements des galaxies, nous devrions être en mesure de découvrir où se trouvent les concentrations les plus denses de cette substance mystérieuse. Supposons que des flux de galaxies se déplacent tous dans la direction d'un point, alors vous pouvez supposer que ces galaxies sont attirées par la gravité d'une zone à très haute densité de matière.
Les chercheurs ont réalisé que la cartographie de la densité et de la distribution de toutes les formes de matière dans l'univers pourrait également aider à résoudre un autre mystère encore plus grand. Le fait que l'univers est non seulement en expansion, mais aussi à une vitesse toujours croissante. C'est tout aussi incompréhensible pour le bon sens qu'une pierre que vous lancez en l'air ne retombe pas sur terre, mais comme une fusée monte en flèche et disparaît de la vue.
La force inconnue qui rend possible ce phénomène bizarre est ce que nous appelons "l'énergie noire" et a des implications profondes pour l'avenir de l'univers. Si l'univers continue de s'étendre à un rythme accéléré, il finira par mourir d'une mort froide, le Big Chill ou Big Freeze. La plupart des galaxies s'éloignent les unes des autres à un rythme croissant jusqu'à ce que chaque étoile de chaque galaxie se soit éteinte, que toute la matière se soit refroidie jusqu'au zéro absolu et que l'obscurité descende enfin sur l'univers.
Pour savoir avec certitude comment le cosmos se terminera, nous devons découvrir non seulement ce qu'est l'énergie noire, mais aussi la quantité de matière qui existe dans l'univers. Si la densité de matière est suffisamment élevée, l'univers pourrait en principe cesser de s'étendre dans un avenir lointain. Au lieu de cela, il se contracte et implose sous l'attraction gravitationnelle de sa masse totale. Une troisième possibilité est que la densité de matière de l'univers soit juste assez grande pour maintenir une expansion infinie, mais de plus en plus lente.
Cette tentative de cartographier les mouvements des galaxies vers un point de haute densité pour déterminer la densité de matière ordinaire et de matière noire dans le cosmos a conduit à la découverte de Laniakea.
La découverte de Laniakea
Pour cartographier les flux galactiques vers un point de haute densité, nous avons besoin de connaître de chaque galaxie à la fois le mouvement causé par l'expansion de l'univers et le mouvement causé par la gravité de la matière se déplaçant dans son environnement. À cette fin, les astronomes mesurent d'abord le soi-disant redshift d'une galaxie.
C'est le phénomène selon lequel les ondes lumineuses émises par une galaxie sont étirées à mesure que cette galaxie s'éloigne de nous. Le son d'un sifflet ou d'une sirène se dirigeant vers nous est plus fort que s'il s'éloignait de nous (effet Doppler). C'est parce que les ondes sonores sont compressées dans des fréquences plus élevées et des longueurs d'onde plus courtes.
De même, les ondes lumineuses d'une galaxie qui s'éloigne de nous se déplacent vers des fréquences plus basses et des longueurs d'onde plus longues et plus rouges. Plus vite ils s'éloignent de nous, plus ils montrent de décalage vers le rouge. En utilisant le redshift d'une galaxie, les astronomes peuvent déterminer sa vitesse globale et estimer à quelle distance elle se trouve de nous.
Nous pouvons alors calculer quelle proportion de la vitesse d'une galaxie est due aux forces gravitationnelles locales en mesurant sa distance à l'aide de méthodes autres que le décalage vers le rouge. Par exemple, à partir d'estimations précises du taux d'expansion de l'univers, nous savons qu'une galaxie située à 3,25 millions d'années-lumière doit avoir une vitesse d'environ 70 kilomètres par seconde.
Pendant que vous lisez ceci, vous êtes en orbite autour du soleil à 30 km/s, autour du centre de la Voie lactée à 200 km/s et sifflez à 600 km/s vers la constellation du Centaure
Si les mesures du décalage vers le rouge de cette même galaxie ne donnent qu'une vitesse de 60 kilomètres par seconde, nous pouvons en déduire que la vitesse particulière de cette galaxie, due à la gravité des concentrations de matière proches, est de 10 kilomètres par seconde. Les méthodes de mesure de la distance d'une galaxie indépendamment du redshift utilisent généralement le fait que l'intensité de la lumière diminue avec le carré de la distance à la source.
En d'autres termes, si vous voyez deux phares identiques, mais que l'un semble briller quatre fois plus que l'autre, vous savez que le phare le plus faible est deux fois plus éloigné.
L'astronomie utilise un équivalent de ces phares identiques :des objets astrophysiques qui ont toujours la même luminosité, où qu'ils se trouvent. Nous appelons généralement ces balises cosmiques des bougies standard. Les exemples incluent des types d'étoiles explosives ou pulsantes ou même des galaxies supermassives, comme Tully et l'astronome Richard Fisher l'ont suggéré pour la première fois en 1977.
La relation dite de Tully-Fisher explique pourquoi les galaxies de masse élevée sont plus brillantes et tournent plus vite que les petites galaxies. Parce qu'ils contiennent plus d'étoiles et que des champs gravitationnels plus puissants sont actifs, ils doivent tourner plus vite sur leur axe pour rester stables. Lorsque nous mesurons la vitesse de rotation d'une galaxie, nous connaissons également sa luminosité intrinsèque. Si nous le comparons ensuite à sa luminosité apparente, nous connaissons sa distance.
Chaque type de bougie standard a son rayon d'action sur lequel elle fonctionne le mieux. Vous ne pouvez observer correctement les étoiles pulsantes (Céphéides) que si les galaxies sont proches de notre Voie lactée. Ils ne conviennent pas aux mesures à grande distance. La relation de Tully-Fisher peut être utilisée pour de nombreuses galaxies spirales, mais les estimations de distance ont alors une marge d'incertitude allant parfois jusqu'à 20 %.
Les étoiles qui explosent (supernovae de type 1a) fournissent des estimations avec la moitié de l'incertitude et brillent sur des distances cosmiques gigantesques, mais elles sont rares. Une supernova de type 1a ne se produit qu'une fois tous les 100 ans dans une galaxie de taille raisonnable.
Cartes cosmiques
Lorsque les astronomes d'un grand échantillon de galaxies calculent la vitesse particulière, ils peuvent cartographier les flux galactiques à la plus grande échelle. À cette immense échelle, nous pouvons comparer les flux des galaxies aux rivières traversant un "bassin cosmique".
La différence avec les rivières ordinaires est que le mouvement des courants galactiques n'est pas déterminé par des facteurs topographiques, mais par les forces gravitationnelles des structures voisines. Sur la "carte du cosmos", nous voyons des galaxies couler en ligne relativement droite à certains endroits, former des tourbillons à d'autres et à d'autres se fondre en une sorte de lac. Par exemple, la carte fournit des indices indirects sur la structure, les mouvements, l'origine et l'avenir des plus grandes accumulations de matière dans l'univers.
Pour créer une carte cosmique à une échelle qui puisse nous aider à répondre à nos questions sur la matière noire et l'énergie noire, nous avons dû rassembler toutes les données disponibles et fiables d'un grand nombre de projets d'observation. En 2008, Tully et Hélène Courtois de l'Université de Lyon, avec d'autres collègues, ont publié le catalogue Cosmicflows. Ils comprenaient des ensembles de données qui, ensemble, ont fourni une image détaillée des mouvements de 1 800 galaxies dans un rayon de 130 millions d'années-lumière autour de notre Voie lactée.
Le même groupe de travail a proposé une édition plus complète en 2013 qui a cartographié les mouvements de 8 000 galaxies dans un rayon de 650 millions d'années-lumière. Yehuda Hoffman de l'Université hébraïque de Jérusalem a développé des méthodes pour dériver la distribution de la matière noire à partir des vitesses particulières avec un haut degré de précision.
Au fur et à mesure que le catalogue s'agrandissait, nous avons été surpris de découvrir un modèle inattendu caché dans la vaste collection de données. Les contours d'une nouvelle structure cosmique jusqu'alors inconnue devinrent visibles. Dans une zone de plus de 400 millions d'années-lumière de diamètre, tous les amas de galaxies se sont déplacés ensemble dans un "bassin d'attraction" local, un peu comme l'eau s'accumule au point le plus bas d'un paysage.
Si l'univers n'était pas en expansion constante, ces galaxies s'agglutineraient en une seule structure compacte, maintenue par la gravité. L'intégralité de cet immense essaim de galaxies est le superamas Laniakea.
Grande marge d'incertitude
L'étude des mouvements des galaxies dans le superamas de Laniakea confirme que les galaxies se comportent exactement comme on pourrait s'y attendre des principaux modèles de distribution de matière noire dans le cosmos. Bien que nous ne puissions pas voir la matière noire, nous pouvons toujours prédire avec une précision raisonnable où cette substance invisible s'accumulera. De plus, la densité totale de matière visible et noire dans le superamas de Laniakea suggère que l'univers est voué à une mort glaciale à cause d'une expansion toujours plus rapide.
Ce ne sont que des conclusions préliminaires. Cartographier les flux galactiques est une tâche formidable qui est loin d'être achevée. Nous n'avons déterminé la vitesse particulière que d'un cinquième des galaxies dans un rayon de 400 millions d'années-lumière autour de notre Voie lactée. Et de nombreuses déterminations de distance de bougie standard ont une grande marge d'incertitude. Cela ne change rien au fait que même la première tentative de carte fournit déjà une image complètement nouvelle de la place que nous occupons dans le paysage cosmique des rivières et des lacs.
Notre coin du cosmos
Explorons les composants fluides et bouillonnants de notre patrie nouvellement découverte de Laniakea. Nous commençons par la partie la plus fiable :vous-même. Peu importe à quelle vitesse vous vous déplacez autour de la Terre pendant que vous lisez ceci, vous et le reste de notre planète tournez autour du soleil à une vitesse d'environ 30 kilomètres par seconde.
Le soleil, à son tour, orbite autour du centre de la Voie lactée à 200 kilomètres par seconde et l'ensemble du groupe local, dont la Voie lactée fait partie, file vers une mystérieuse masse de masse vers la constellation du Centaure à une vitesse de plus de 600 kilomètres par seconde (plus à ce sujet plus tard).
En zoomant sur la Voie Lactée, notre voyage commence à travers l'étendue de Laniakea avec deux galaxies naines, les Petits et Grands Nuages de Magellan, "seulement" 180 000 à 220 000 années-lumière de la Voie Lactée. Les Nuages de Magellan sont à peine visibles depuis l'hémisphère sud de la Terre, mais si vous voulez les voir de très près, vous devrez vous rendre en Antarctique en hiver. La seule autre galaxie que vous pouvez voir à l'œil nu est la spirale géante de la galaxie d'Andromède, même si ce n'est qu'une tache floue sur un ciel d'un noir absolu.
La nébuleuse d'Andromède est située à 2,5 millions d'années-lumière et se précipite vers nous à une vitesse particulière de 110 kilomètres par seconde. Dans environ 4 milliards d'années, elle entrera en collision frontale avec la Voie lactée, transformant les deux galaxies en un ellipsoïde homogène de vieilles étoiles rouges.
Système de coordonnées supergalactiques
Selon toute vraisemblance, notre système solaire ne remarque pas grand-chose de cet accident de la circulation cosmique. La distance entre les étoiles est si grande qu'il y a peu de chances que deux étoiles se rapprochent suffisamment pour entrer en collision. La Voie lactée, Andromède et plus de 40 autres galaxies font partie du groupe local, une région où la gravité a gagné la bataille contre l'expansion de l'univers, provoquant son effondrement.
Juste au-delà du groupe local, dans une zone de 25 millions d'années-lumière de diamètre, nous voyons trois structures frappantes. La plupart des galaxies, y compris notre propre Voie lactée, sont situées dans la soi-disant feuille locale, une mince "feuille" de galaxies ne dépassant pas 3 millions d'années-lumière dans le plan équatorial du soi-disant système de coordonnées supergalactique. En dessous de ce plan il n'y a rien au départ et un peu plus loin sur un chapelet de galaxies - le Leo Spur - et des galaxies qui font partie du nuage Antlia et du nuage Doradus (noms néerlandais :Luchtpomp et Goudvis).
Au-dessus de l'avion, il n'y a pratiquement rien dans les environs immédiats. Ce vide est le domaine du Local Hollow. En suivant le plan équatorial supergalactique, nous rencontrons un anneau de 13 millions d'années-lumière de diamètre de galaxies géantes en orbite autour de la Voie lactée sous le vide local. Et tout comme les Nuages de Magellan accompagnent la Voie Lactée, toutes ces immenses galaxies ont chacune leur entourage de galaxies naines.
Si l'on ne regarde que les galaxies dans la feuille locale, la situation semble très calme. Ces galaxies s'éloignent les unes des autres au rythme de l'expansion de l'univers et ont des vitesses particulières très faibles en raison des interactions gravitationnelles locales. Sous la feuille locale, les galaxies du nuage d'Antlia, du nuage de Doradus et de l'éperon du Lion n'ont également que de petites vitesses particulières. Ils se précipitent vers la Feuille Locale à grande vitesse.
Vraisemblablement, la cavité locale est le coupable. Les cavités gonflent comme un ballon que l'on gonfle. La matière se déplace des régions à faible densité vers les régions à haute densité de sorte qu'elle s'accumule aux interfaces des vides. Nous savons maintenant que la Feuille Locale est un 'mur' de la Cavité Locale et que l'expansion de cette cavité nous pousse en direction d'Antlia, Doradus et Leo.
Si nous dézoomons encore plus, nous voyons l'amas de la Vierge. Dans une zone de 13 millions d'années-lumière de diamètre, 300 fois plus de galaxies sont comprimées que le groupe local en contient. Ces galaxies tourbillonnent à une vitesse moyenne de 700 kilomètres par seconde, et toutes les galaxies situées à moins de 10 milliards d'années-lumière de la limite extérieure de l'amas sont attirées par l'amas et en font partie dans un maximum de dix milliards d'années.
Toute la zone où la gravité de l'amas de la Vierge domine et où tout ce qu'il contient est finalement englouti par la Vierge a un rayon de 35 millions d'années-lumière. Il pourrait être intéressant de savoir que notre Voie lactée est située à 50 millions d'années-lumière de la Vierge et donc juste en dehors de la zone de danger.
Le grand courant galactique
La zone plus large autour de l'amas de la Vierge, qui comprend également notre propre Voie lactée, est appelée le superamas local. Il y a près de trente ans, un groupe d'astronomes, "les sept samouraïs", a découvert que non seulement la Voie lactée, mais l'ensemble du superamas local se dirigeait vers Centaurus à des centaines de kilomètres par seconde. Ils ont appelé la masse mystérieuse qui attire toutes ces galaxies le Grand Attracteur.
À bien des égards, le Grand Attracteur n'est pas si mystérieux. Il est évident que la densité de matière dans cette partie du cosmos est élevée, puisque dans un espace sphérique de 100 millions d'années-lumière de diamètre se trouvent sept amas, chacun de la taille de l'amas de la Vierge. Trois des plus grands amas sont Norma, Centaurus et Hydra.
Si vous supposez que les superamas sont une sorte de bassin versant cosmique, dont les limites extérieures sont définies par les mouvements divergents des galaxies, le nom de "superamas local" n'est pas heureusement choisi. Ce n'est qu'une partie de quelque chose de plus grand, Laniakea, qui comprend d'autres structures tentaculaires telles que le filament Pavo Indus et l'amas Ophiuchus (Snake Bearer).
Une force inconnue fait que l'univers s'étend de plus en plus vite. Si cela continue, tout finira par un Big Chill. Une mort glaciale
Si on compare Laniakea à une ville, le Grand Attracteur serait le centre-ville avec son trafic dense. Comme pour la plupart des noyaux terrestres, il est difficile de déterminer le centre exact, mais il devrait se situer approximativement quelque part entre le Normacluster et l'amas du Centaurus. Dans ce cas, notre galaxie de la Voie lactée se trouve dans une banlieue éloignée du centre, près de la limite d'un superamas voisin appelé Persée-Poissons (Poissons).
Cette frontière est si proche que nous pouvons l'étudier en détail et avoir une idée des contours de Laniakea - une bulle désordonnée et pas tout à fait sphérique d'un demi-milliard d'années-lumière de diamètre. La masse totale de l'"ordinaire" et de la matière noire dans cette bulle est à peu près aussi grande que la masse de cent millions de milliards de soleils.
Pendant des décennies, les astronomes ont aperçu ce qui pourrait encore être au-delà de Laniakea. Peu de temps après que les Sept Samouraïs aient découvert le Grand Attracteur, quelque chose de plus grand a émergé des ténèbres intergalactiques. Directement au-delà de la zone du Grand Attracteur, mais trois fois plus loin, se trouve un gigantesque amas d'amas, le plus dense jamais vu dans l'univers observable.
Il s'agit du superamas de Shapley, du nom de l'astronome Harlow Shapley qui, dans les années 1930, a trouvé pour la première fois des indices sur l'existence de cette immense structure lointaine.
Comme la nappe locale, l'amas de la Vierge et la bande principale du superamas local, le grand attracteur et le superamas de Shapley se trouvent dans le plan équatorial intergalactique. Imaginez une crêpe géante de superamas galactiques et vous aurez une très belle idée de ce à quoi ressemble notre environnement "immédiat" à grande échelle.
Ça s'arrête là ?
Qu'est-ce qui fait que notre superamas local a une vitesse particulière de 600 kilomètres par seconde ? Vous pouvez en partie attribuer cela au Grand Attracteur. Nous ne devons pas non plus perdre de vue l'attraction gravitationnelle du superamas de Shapley. Bien qu'elle soit trois fois plus éloignée, elle contient également quatre fois plus de grands amas. Et si l'on se fie au catalogue Cosmicflows-2, la collecte de données qui a rendu possible la découverte de Laniakea, ce n'est pas non plus toute l'histoire.
Les vitesses particulières des 8 000 galaxies incluses dans le catalogue montrent un flux cohérent vers le superamas de Shapley. Ce flux se produit dans toute la zone couverte par le catalogue Cosmicflow-2, une zone de 1,4 milliard d'années-lumière de diamètre. Est-ce que ça s'arrête là ? Nous ne le savons pas. Ce n'est que lorsque nous aurons cartographié des parties encore plus vastes de l'univers que nous pourrons découvrir quelles forces et quelles structures font finalement couler de grands groupes de galaxies comme de puissants fleuves à travers l'univers observable.
