Si ces 5 000 galaxies apparaissent toutes au même endroit du ciel, ce n’est pas un hasard de pointage : c’est ce qui les tenait déjà groupées quand l’Univers avait 2,1 milliards d’années

Un patch de ciel bondé de galaxies : c’est exactement ce que le relevé ODIN a repéré vers la constellation dans laquelle se trouve le champ COSMOS. Mais dans l’immense majorité des cas, une telle concentration apparente n’est qu’un mirage optique, des galaxies séparées par des centaines de millions d’années-lumière qui se retrouvent alignées par hasard depuis notre point de vue terrestre. Galaxies séparées par des centaines de millions d’années-lumière peuvent apparaître proches les unes des autres simplement parce qu’elles s’alignent depuis notre point d’observation sur Terre, un problème appelé contamination par projection. Ici, ce n’était pas le cas.

L’instrument qui a permis de trancher s’appelle DESI, le spectrographe capable d’analyser des milliers d’objets en une seule pose. L’essentiel de la spectroscopie provenait du Dark Energy Spectroscopic Instrument, ou DESI, capable de collecter les spectres d’environ 5 000 objets en un seul pointage. Grâce à cette capacité, associée aux données du télescope Gemini South et de l’instrument Keck DEIMOS, les chercheurs ont pu mesurer la distance précise de chaque galaxie candidate. Le verdict est sans appel : ces galaxies ne sont pas simplement alignées sur le papier. Elles occupaient réellement le même volume d’espace, il y a plus de 11 milliards d’années.

Un record de distance et de masse

La structure porte un nom de code peu poétique, COSMOS-z3.1-A. Elle a été repérée grâce au Dark Energy Camera (DECam), monté sur le télescope Blanco de 4 mètres au Chili. Ce relevé est mené avec la caméra DECam, fabriquée par le Département de l’Énergie américain, montée sur le télescope Blanco de 4 mètres du NSF à l’observatoire interaméricain de Cerro Tololo. Avec son large champ de vue et sa résolution de 570 mégapixels, DECam a passé plus de 100 nuits sur trois ans à photographier une vaste zone du ciel austral. Au total, l’équipe a identifié 150 protoclusters distants, formés lorsque l’Univers avait entre 1 et 3 milliards d’années.

Deux structures se sont démarquées du lot. Les chercheurs ont concentré leur attention sur deux amas montrant une surdensité frappante de galaxies, baptisés COSMOS-z3.1-A et COSMOS-z3.1-C. La première s’est révélée être bien plus qu’un simple protocluster. Elle est en réalité quelque chose d’encore plus rare qu’un protocluster : une proto-supercluster, l’ancêtre d’un « amas d’amas » de galaxies, observée quand l’Univers n’avait que 2,1 milliards d’années, ce qui en fait la proto-supercluster la plus ancienne et la plus lointaine jamais découverte, avec une masse 5 000 fois supérieure à celle de la Voie lactée.

Une masse pareille, à cette époque, n’a presque pas d’équivalent. Comme le résume Ramakrishnan, cette structure représente les régions les plus extrêmes et les plus surdenses de l’Univers, avec une occurrence attendue de moins d’un objet pour dix mille amas galactiques. Autant chercher une aiguille dans une botte de foin cosmique.

Dix noyaux reliés par des filaments

La cartographie en trois dimensions a révélé une architecture précise, loin d’une simple boule de galaxies compactes. Le proto-supercluster ne forme pas un bloc uniforme. Cette structure contient dix pics de densité distincts et sa taille est telle que les chercheurs la classent comme une proto-supercluster, ce qui en fait la structure la plus ancienne et la plus lointaine de son genre jamais identifiée.

Ces dix noyaux ne flottent pas de manière aléatoire. Ils sont connectés par le réseau de filaments qui structure la matière à grande échelle. D’après leurs cartes 3D détaillées, l’équipe conclut que ces anciens protoclusters sont très irréguliers et grumeleux, et qu’ils se situent aux intersections de multiples filaments de la toile cosmique. Une doctorante impliquée dans le projet, Nicole Firestone, décrit d’ailleurs la difficulté initiale de l’exercice. Les premières images nous ont dit que ces régions de l’Univers étaient exceptionnellement peuplées de galaxies, mais la spectroscopie de suivi coûteuse n’a permis de confirmer les distances précises que pour une fraction des galaxies.

L’image qui en ressort ressemble à un chantier urbain inachevé. On peut la comparer à une ville encore en construction, où certains quartiers ont pris forme mais où les routes qui les relient restent incomplètes et où le centre-ville n’a pas encore pris corps : COSMOS-z3.1-A, ce sont exactement dix concentrations denses de galaxies en formation d’étoiles, séparées par des filaments de la toile cosmique. Ce schéma valide un scénario précis de formation des grandes structures. Les observations confirment le scénario de croissance « ascendante » (bottom-up), dans lequel de petites concentrations de matière grossissent et fusionnent le long des filaments pour produire les amas galactiques massifs et plus arrondis que l’on observe dans l’Univers actuel.

Pourquoi cette découverte compte

Les amas galactiques d’aujourd’hui, comme le Virgo Cluster ou l’immense Laniakea qui englobe notre propre Voie lactée, n’ont pas toujours existé sous cette forme. Ils ont mis des milliards d’années à se former, par accrétion progressive de matière le long de ces mêmes filaments. Voir un ancêtre aussi massif dès 2,1 milliards d’années après le Big Bang bouscule les calendriers théoriques habituels, un peu comme retrouver la charpente d’une cathédrale gothique posée alors que la ville qui l’entoure n’existe pas encore.

D’autres découvertes récentes vont dans le même sens. Le protocluster JADES-ID1, repéré par le télescope spatial James Webb et confirmé par Chandra, montre lui aussi une croissance étonnamment rapide des structures massives, à peine un milliard d’années après le Big Bang. Les cosmologistes doivent désormais revoir à la hausse la vitesse à laquelle l’Univers primitif savait déjà s’organiser, filament par filament, noyau par noyau.

Sources : noirlab.edu | space.com | science.nasa.gov