Coma ou Chevelure de Bérénice : Le Colosse Cosmique

Qu'est-ce qu'un amas de galaxies ?

Définition et composition des amas

Les amas de galaxies sont les plus grandes structures observables de notre Univers. Ils sont constitués de centaines de galaxies, liées ensemble par leurs propres attractions gravitationnelles.

Entre les galaxies il y a beaucoup de matière, beaucoup plus de matière que dans les galaxies elles mêmes, cette matière est constituée de gaz plus ou moins chaud, et de grains de poussières. Le gaz chaud dont la température peut atteindre 100 millions de degrés, forme un plasma, c'est-à-dire une soupe de matière où les électrons sont séparés des noyaux. Dans cette soupe de faible densité, 1000 particules par mètre cube, il n'y a que des particules chargées, en d'autres termes des ions et des électrons séparés. Ce plasma est un fort émetteur de rayons X.

Les observations des vitesses des galaxies et du gaz intracluster montrent que la masse visible (étoiles, gaz) ne suffit pas à expliquer les forces gravitationnelles observées. La majorité de la masse de l'amas est donc attribuée à la matière noire.

Structure de l'amas de Coma

Une architecture sphérique et dense

L'amas de Coma est un amas de galaxies. Il est sphérique, très dense en son centre, et contient plus de 1000 galaxies identifiées. Il se situe à 300 millions d'années-lumière avec l'amas Virgo dans la constellation de la Vierge.

Des bras de gaz chaud à l'échelle du demi-million d'années-lumière

Ces énormes bras de gaz chaud que l'on voit dans l'amas de galaxies Coma couvrent au moins un demi-million d'années-lumière. Ce champ de vision nous donne un aperçu de la façon dont l'amas de Coma a grossi et continue à grossir grâce à des fusions de petits groupes d'amas de galaxies.

L'une des plus grandes structures maintenues par la gravité

C'est actuellement l'une des plus grandes structures de l'Univers maintenues ensemble par la gravité. Les données optiques de cette image composite montrent des centaines de galaxies appartenant à l'amas de Coma.

La prépondérance du gaz chaud

Toutes ces galaxies assemblées représentent peu de masse par rapport à l'ensemble de la structure cosmique gazeuse. Elles contiennent seulement environ un sixième de la masse de gaz chaud. De plus sur cette image traitée grâce aux données de Chandra, nous ne voyons que les plus brillantes émissions de rayons X. En réalité le gaz chaud remplit totalement le champ de vue.

Origine des bras de gaz et rôle des champs magnétiques

Des bras formés par le gaz arraché lors des déplacements

Les chercheurs pensent que ces gigantesques bras se sont probablement formés avec le gaz perdu par les amas de galaxies dans leur déplacement. Le gaz a été arraché par les « vents » créés par le mouvement de la grappe de galaxies. On peut voir sur l'image agrandie des galaxies traînant derrière elles un nuage de gaz chaud (en rose).

Une particularité : deux galaxies elliptiques géantes au centre

Coma est un amas de galaxies inhabituel, car il ne contient pas une, mais deux galaxies elliptiques géantes près de son centre. Ces deux galaxies elliptiques géantes sont probablement le résultat de fusions dans le passé de petits groupes de galaxies.

Des fusions turbulentes... mais un gaz étonnamment lisse

La plupart des modèles théoriques prévoient que les fusions entre groupes comme ceux de Coma produisent une forte turbulence, comme sur la surface de la mer brassée par le passage de nombreux navires. L'observation de l'amas de Coma montre que ces longs bras de gaz chaud à la forme lisse se situent dans un cadre plutôt calme, même après de nombreuses fusions.

Des champs magnétiques comme régulateurs de turbulence

Bien que la quantité de turbulence dans un amas de galaxies soit difficile à estimer, les astrophysiciens pensent que ce sont les champs magnétiques à grande échelle qui sont probablement responsables du peu de turbulences présentes dans Coma.

La domination de la matière noire dans l'amas de Coma

Des vitesses qui trahissent une masse invisible

La dynamique des galaxies au sein de l'amas de Coma est dominée par la gravité de la matière noire. Les vitesses des galaxies en orbite peuvent atteindre plusieurs centaines de kilomètres par seconde, des valeurs bien trop élevées pour être expliquées par la seule masse visible des étoiles et du gaz intracluster. En appliquant le théorème du viriel, les astrophysiciens estiment que la masse totale de l'amas atteint environ 10¹⁵ masses solaires.

Une masse visible négligeable face à l'invisible

Or, la masse visible — galaxies et gaz chaud réunis — ne représente qu'environ 15 % de cette valeur. Le reste, soit près de 85 %, est donc attribué à une forme de matière encore mal connue : la matière noire. Celle-ci n'émet, n'absorbe ni ne diffuse aucune lumière, mais elle se manifeste par son empreinte gravitationnelle sur les mouvements des objets célestes.

La matière noire, architecte des grandes structures

Les simulations numériques de formation des grandes structures cosmiques montrent que les amas comme Coma se sont formés par l'effondrement gravitationnel de vastes halos de matière noire, qui attirent et piègent ensuite le gaz et les galaxies. La distribution spatiale des galaxies dans l'amas de Coma, très concentrée en son centre, est d'ailleurs en parfait accord avec les prédictions des modèles de matière noire froide (CDM (cold Dark Matter)).

Un laboratoire pour percer les mystères de l'Univers sombre

L'amas de Coma constitue donc l'un des meilleurs laboratoires pour tester notre compréhension de la matière noire et des lois de la gravité à grande échelle. Les futures observations, notamment en lentille gravitationnelle faible ou avec des instruments comme le télescope spatial Euclid, permettront de cartographier plus finement la distribution de cette masse invisible et de contraindre les propriétés de la matière noire.