Les amas de galaxies dix fois plus grands !

Les observations et les simulations numériques indiquent que la distribution des galaxies autour des amas de galaxies suit un modèle universel. Mais on ne savait pas jusqu'où s'étendent les amas, car, à grande distance de l'amas il y a confusion avec les petits amas voisins. Dans des travaux qui viennent de paraître dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, le 11 octobre 2017, une équipe de chercheurs à l'Institut d'Astrophysique de Paris a montré qu'une fois que l'on retire leurs voisins de l'analyse, les amas de galaxies sont 10 fois plus étendus qu'on n'imaginait jusque-là.

Les études des profils de densité (nombre de galaxies par unité de volume en fonction de la distance au centre) des amas de galaxies se sont toutes focalisées sur la densité totale, qui suit le modèle "NFW" jusqu'au rayon dit du viriel à l'intérieur duquel les amas sont en équilibre dynamique. Mais au delà, la densité totale est progressivement dominée par les galaxies d'autres amas moins massifs, ce qui rend difficile la mesure du profil de densité intrinsèque de chaque amas.

Une équipe de chercheurs de l'IAP (CNRS/Université Pierre et Marie Curie), dirigée par Gary Mamon, a pu mesurer, pour la première fois, le profil de densité intrinsèque des amas. En assignant chaque galaxie à un seul amas - le plus proche de la galaxie après normalisation de leur séparation par le rayon de viriel de l'amas - ils évitent toute confusion entre l'amas étudié et les amas autour. Analysant plus de 500 amas issus d'une simulation état-de-l'art de galaxies, dit L-Galaxies (Henriques et al. 2015), ils ont pu montrer que les amas s'étendent jusqu'à 13 rayons de viriel (points en rouge sur la figure de gauche).



Droite: densité en projection sur le ciel moyennée de 531 amas de galaxies extraits du relevé SDSS. Dans les 2 figures, la densité intrinsèque des amas est en rouge, la densité 3D moyenne de l'Univers est la ligne horizontale verte (représentant, au 1er ordre, la densité des galaxies en dehors des amas en considération), et la densité totale (somme des deux termes précédents) est en noir. Les courbes bleues montrent les ajustements du modèle NFW. D'après Trevisan et al. (2017).

Les scientifiques ont pu confirmer ce résultat sur les données d'observation, malgré la difficulté à mesurer les distances entre objets dans l'espace observable. Ils ont trouvé que le profil de densité intrinsèque des amas, projeté sur le ciel, s'étend jusqu'à 10 rayons de viriel (figure de droite). Les amas sont ainsi 10 fois plus grands que ce que l'on pensait.

Au-delà du rayon de viriel, le profil de densité intrinsèque dépend de la masse minimale des amas auxquels on assigne les galaxies. Toutefois, l'équipe a découvert qu'il existe une masse d'assignation minimale particulière qui conduit à un profil de densité intrinsèque des amas suivant parfaitement le modèle NFW, dont la densité dans les zones externes est inversement proportionnelle au cube (carré en projection sur le ciel) de la distance au centre.

Cette grande étendue des amas de galaxies va changer la manière de construire des grands catalogues virtuels de galaxies par la méthode populaire, dite "HOD", où partant d'une simulation dynamique de l'Univers, on place des galaxies dans chaque amas (conformément au modèle NFW). Au lieu de peupler les amas de galaxies jusqu'à 1 ou 2 rayons de viriel, il faudra donc le faire jusqu'à 13 rayons de viriel.

Toutefois, il reste aux astrophysiciens à comprendre l'origine de la grande étendue des amas, ainsi que les fondements du modèle NFW.