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La Voie lactée est plus unique que ce que pensaient les scientifiques

Une galaxie solitaire, analogue à la Voie lactée, trop massive pour son mur. L'image de fond montre la distribution de la matière noire (en vert et bleu) et des galaxies (les petits points jaunes) dans une fine tranche du volume cubique dans lequel les scientifiques s'attendent à trouver une de ces rares galaxies massives. [CC BY 4.0 - Images: Miguel A. Aragon-Calvo. Simulation data: Illustris TNG project]
La Voie lactée est plus unique que ce que pensaient les scientifiques / Le Journal horaire / 14 sec. / le 24 janvier 2023
Notre galaxie serait particulière et représenterait une sorte d'anomalie dans l'Univers, selon une équipe scientifique internationale utilisant un modèle informatique poussé. Notre Voie lactée est trop grande pour son "mur cosmique", ce qui serait rare.

Mais où donc vivons-nous? La question est complexe. Depuis le Big Bang, notre Univers est en expansion. Il est vaste et il faut imaginer la matière qui le constitue répartie un peu comme dans une gigantesque toile d'araignée pas aussi régulière que si elle était tissée par un arthropode venant de la planète Terre. Il y a des pleins et des vides, des bulles, des grumeaux et des filaments, des murs et des feuilles cosmiques. Le tout agencé selon des lois que la cosmologie et l'astrophysique essaient de percer (lire encadré).

"La matière est distribuée en amas de galaxies et en superamas... soit en amas d'amas. Notre Voie lactée, par exemple, se trouve dans une concentration de superamas nommée Laniakea", explique Stéphane Paltani, professeur à l'Observatoire astronomique de l'Université de Genève, joint au téléphone par RTSinfo.

Laniakea est une sorte de continent; ce système gigantesque, dont le nom en hawaïen signifie "horizon céleste immense" ou "paradis incommensurable", a été découvert en 2014 et contiendrait à lui seul plus de 100'000 galaxies. Pour avoir une idée de la taille de la structure, il faut savoir que Laniakea atteint les 500 millions d'années-lumière en envergure; la Voie lactée, elle, n'en mesure "que" 100'000.

Des structures arrondies et aplaties

"Les galaxies sont en quelque sorte liées à leurs amas: le tout garde une forme ronde. Les amas s'arrangent dans des structures plus grandes, les superamas, qui, parfois, s'organisent de manière plus aplatie", remarque l'astrophysicien.

Et la science possède un vocabulaire visuel pour définir plus avant ces rassemblements cosmiques: "Un 'mur' est un amas aplati d'amas. Un petit amas est appelé un 'groupe' et une 'feuille' est un amas de 'groupes'".

Avec toutes ces définitions, il est désormais possible d'apprécier la nouvelle du jour: l'équipe internationale qui s'est intéressée à la place de notre galaxie dans l'Univers s'est rendue compte – grâce à une simulation informatique de pointe, le projet Illustris TNG –, que la Voie lactée est bien trop grande par rapport à son "mur cosmique". Soit son environnement direct constitué d'un arrangement aplati de galaxies.

Autour, il y a aussi des régions particulièrement désertes – judicieusement nommées "vides" – de part et d'autre de ce mur. Et la nouveauté, c'est que cela n'a pas encore été observé dans d'autres galaxies: "Si on observait à nouveau un phénomène semblable ailleurs, cela remettrait en question notre compréhension de la formation des structures cosmiques", selon Stéphane Paltani.

Les superamas de galaxies (en bleu) et les vides cosmiques (en rouge) sur une distance d'un milliard d'années-lumière de la Voie lactée. Laniakea est en jaune. [Wikimedia/CC BY-SA 2.5 - Richard Powell]

En outre, ces vides semblent écraser les galaxies ensemble dans ce qui ressemble à une forme de pancake – une crêpe épaisse appréciée aux Etats-Unis pour le petit déjeuner – pour réaliser un agencement plat: "Le phénomène est dû à l'absence de masse dans les vides, ce qui fait que rien n'empêche l'effondrement dans leur direction", précise Stéphane Paltani.

Pour mieux comprendre cette étude parue fin décembre dans les Monthly Notices de la Royal Astronomical Society, encore une notion: notre foyer cosmique, la Voie lactée, se trouve près du centre d'un "mur" plat de galaxies appelé "feuille locale"; son diamètre est de 30 millions d'années-lumière. Le terme de "feuille" traduit ici une taille beaucoup plus petite que "mur".

Bien que les environnements de type "feuille" soient des structures cosmiques courantes, très peu d'entre elles abritent une galaxie aussi massive que la Voie lactée, du moins dans les simulations informatiques poussées: "Dans la réalité, on ne le sait pas", note Stéphane Paltani.

L'animation ci-dessus montre notre Voie lactée comme une galaxie spirale au centre. Les sphères grises correspondent à des galaxies proches mises à l'échelle de leur luminosité. Pour plus de clarté, seules les galaxies les plus lumineuses sont représentées. Les cercles bleus indiquent la distance par rapport à la Voie lactée par intervalles de 3 millions d'années-lumière.

Une organisation précise

L'environnement du "mur cosmique" – dans ce cas précis, la "feuille locale" – influence comment la Voie lactée et les galaxies environnantes tournent autour de leur axe. Et cela se fait d'une façon plus organisée que si l'on se trouvait dans n'importe quel endroit de l'Univers, sans un mur (lire encadré).

En règle générale, les galaxies ont tendance à être nettement plus petites que ce "mur". La Voie lactée, elle, se révèle étonnamment massive par rapport au sien.

La simulation Illustris TNG a permis aux scientifiques de recréer un volume de l'Univers représentant une distance d'environ un milliard d'années-lumière, contenant des millions de galaxies; seulement une petite partie d'entre elles – un millionième – étaient aussi particulières que la Voie lactée.

C'est-à-dire qu'elles avaient pour caractéristiques d'être incrustées dans un "mur cosmique" tel que la "feuille locale" et d'être aussi massives que la galaxie qui nous héberge. Et Stéphane Paltani de conclure: "C'est une simulation, ce qui veut dire qu'il faudra la confirmer par des observations. Il reste aussi des possibilités d'interprétation: est-ce qu'il y a des imperfections dans la simulation informatique? Est-ce que nous sommes vraiment dans un endroit bizarre de l'Univers? Y a-t-il un mécanisme physique que nous n'avons pas encore compris?"

Pour l'heure, une chose est sûre, c'est notre adresse dans l'Univers: Terre, Système solaire, Voie lactée, Groupe local, Feuille locale, Superamas de la Vierge, Laniakea. Une précision très chic sur une carte de visite.

Stéphanie Jaquet

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Simuler l'Univers depuis la Suisse

"Un groupe de scientifiques basé à l'Université de Zurich utilise l'un des ordinateurs les plus puissants du monde, le Piz Daint supercomputer, dans le Swiss National Supercomputing Center à Lugano, pour simuler quasiment tout l'Univers", explique Stéphane Paltani, professeur à l'Observatoire astronomique de l'Université de Genève. "Cette simulation a été faite pour préparer l'analyse des observations du satellite Euclid de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) qui sera lancé cette année. Ce projet se nomme Flagship Mock Galaxy Catalogue".

Le satellite Euclid de l'ESA a pour mission de cartographier l'histoire de la structure de l'Univers en s'intéressant plus spécifiquement à la matière noire (ici, une simulation cosmologique nommée la "Flagship simulation"). [Euclid/ESA - J. Carretero (PIC), P. Tallada (PIC), S. Serrano (ICE) and the Euclid Consortium Cosmological Simulations SWG]

L'idée est de cartographier l'histoire de la structure de l'Univers en s'intéressant plus spécifiquement à la matière noire.

Illustration du satellite Euclid. [ESA - C. Carreau]

La simulation reproduit avec précision l'émergence de la structure à grande échelle de l'Univers avec le réseau sinueux de sa toile cosmique: elle ne comprend que la matière noire "qui domine de toute façon toute la matière", souligne Stéphane Paltani. "La Flagship simulation est bien plus grande que le projet Illustris TNG. Ici, on ne s'intéresse qu'à la matière noire et sa répartition, alors qu'Illustris essaie de former des galaxies et de les faire évoluer".

Un extrait de la simulation est montré dans l'image ci-dessus, allant de l'Univers local d'aujourd'hui (à gauche) à l'époque où il était âgé d'environ 3 milliards d'années (à droite), lorsque les amas de galaxies commençaient à se former.

Les galaxies centrales, peuplant le centre des "halos" de matière noire, sont colorées en bleu. Les galaxies satellites, qui résident dans les halos les plus massifs, dans les pics de densité les plus élevés de la matière noire sous-jacente, sont indiquées en rouge.

>> Lire aussi le Grand Format : Matière et énergie noires

Éviter un biais copernicien

Selon l'équipe de recherche, il peut être nécessaire de prendre en compte l'environnement particulier autour de la Voie lactée lors de l'exécution de simulations: cela permet d'éviter ce qu'on peut nommer un "biais copernicien".

En effet, grâce à Copernic, l'être humain a compris que la Terre et le Système solaire ne sont pas au centre du cosmos. Mais le "biais copernicien" pourrait influencer la recherche en émettant l'hypothèse que nous résidons dans un endroit complètement moyen, normal, de l'Univers.

>> Lire aussi : Des milliards d'objets célestes de notre Voie lactée catalogués

Pour simuler des observations, les astronomes supposent parfois que n'importe quel point d'une simulation telle qu'Illustris TNG est aussi bon que n'importe quel autre, mais les découvertes de l'équipe de recherche internationale indiquent qu'il peut être important d'étudier les simulations à partir d'un point qui ressemble à notre galaxie si l'on veut pouvoir faire des comparaisons qui ont du sens avec la Voie lactée.