Amas du Boulet et matière noire

Description de l'image : Que voyons-nous sur cette image composite en fausse couleur ?
Nous voyons toutes la matière de l'Amas du Boulet. Les deux amas de galaxies du Boulet sont dans la zone bleue et les deux nuages de gaz galactique sont vus en rayons X, en rouge. Les zones colorées en bleu représentent l'essentiel de la masse des amas, c'est-à-dire la matière noire, six fois plus massive que la matière ordinaire. L'amas du boulet est le plus petit des deux amas celui qui traverse l'autre de part en part (zone bleue de droite). La gigantesque collision a "décoiffé" les deux amas de leur halo de gaz provoquant une onde de choc visible dans la pointe de la petite tache rouge. Cette onde de choc a fortement comprimé et donc échauffé les gaz de l'amas au point d'atteindre 100 millions de degrés. On y distingue comme un boulet suivi de sa trainée de gaz. Crédit : NASA CXC CfA.

L'Amas du Boulet

L'amas du Boulet, également connu sous le nom de 1E 0657-56, est un amas de galaxies célèbre pour sa collision spectaculaire entre deux amas plus petits. Situé à environ 3,4 milliards d'années-lumière, cet amas a été étudié en détail par le Télescope spatial Hubble et le Télescope spatial Chandra. Son nom, "Boulet", fait référence à la forme distinctive de l'amas résultant de la collision.

L'amas du Boulet est composé de milliers de galaxies, de gaz chaud et de matière noire. Les observations en rayons X par Chandra ont révélé que le gaz chaud, qui représente la majeure partie de la matière baryonique (visible), est séparé de la matière noire. Cette séparation est une preuve directe de l'existence de la matière noire, car elle n'interagit pas avec la matière ordinaire de la même manière que le gaz chaud.

Les observations de l'amas du Boulet ont permis aux astronomes d'utiliser l'effet de lentille gravitationnelle pour cartographier la distribution de la matière noire. En observant les déformations des images des galaxies d'arrière-plan, les scientifiques ont pu confirmer la présence et la distribution de la matière noire dans l'amas. Cette technique a été cruciale pour comprendre la dynamique de la collision et la structure interne de l'amas.

La Matière Noire de l'Amas du Boulet

Les amas de galaxies ne sont pas constitués que de galaxies, ils baignent dans du gaz froid de faible densité (1000 particules/m3) et dans du gaz chaud (10 à 100 millions de degrés). A ces températures, le gaz est totalement ionisé, il s'agit d'un plasma visible dans le domaine des rayons-x. Le gaz est distribué de façon beaucoup plus diffuse, il remplit l'espace entre les galaxies et s'étend bien au delà. La masse du gaz appartenant à la galaxie est bien plus importante que la masse de la galaxie elle-même. Si l'on mesure la dynamique gravitationnelle de l'Univers à grande échelle, la masse de la matière ordinaire de l'Univers observable ne représente que 4 % de la masse totale. 23 % de la masse serait de la matière noire et 73 % de l’énergie noire. Ceci est décrit dans le modèle SCDM (Standard Cold Dark Matter). Ce que nous voyons lorsque l'on observe la lumière des étoiles, des galaxies et des amas c'est la matière ordinaire.

Comment peut-on voir la matière noire ?

Toute la matière, matière ordinaire et matière noire, subit les forces du champ gravitationnel. L'amas du boulet ou 1E 0657-56, observable dans la constellation de la Carène, est le résultat de la collision de deux amas de galaxies qui s'est produit il y a 150 millions d'années. L'étude de cette collision a débuté en aout 2006 et a mis en évidence l'une des preuves les plus solides de l'existence de la matière noire.

Lorsque des amas entrent en collision, la matière ordinaire (étoiles, gaz et poussière) est perturbée par les forces gravitationnelles. En réalité les objets lourds comme les étoiles ne collisionnent pas, elles passent les unes à côté des autres sans se rencontrer, car l'espace entre les étoiles est immense. Les étoiles ne sont donc pas affectées par la collision, elles peuvent être légèrement accélérées ou ralenties gravitationnellement mais pas détruites. Par contre pendant la collision, les gaz froids et chauds qui constituent l'essentiel de la masse baryonique des galaxies, vont interagir entre eux, ils vont même être fortement et rapidement ralentis. Ils vont se mélanger plus facilement du fait de leur liberté atomique et de leur très faible liaison. C'est ce que l'on voit sur l'image composite.

Cette gigantesque collision entre les deux amas a dégagé une énergie considérable. C'est dans le domaine des rayons X que l'observation de la collision nous apporte un éclairage nouveau sur la matière noire, car les étoiles, les gaz et la matière noire se comportent différemment durant la collision.

Les galaxies des deux amas de galaxies sont observées en lumière visible, ce sont les multiples taches blanches. Les gaz chauds des deux amas sont observés dans les rayons X, ce sont les nuages rouges. La matière noire est représentée par la lumière bleue diffuse.

Sur l'image il y a des centaines de galaxies regroupées entre elles en amas mais nous voyons surtout un petit amas de galaxies, dans la tache bleue de droite et un grand amas de galaxies dans la tache bleue de gauche. Les deux enveloppes gazeuses des deux amas sont en couleur rouge, la petite tache rouge suit la petite tache bleue et la grande tache rouge suit la grande tache bleue. En réalité le petit amas de galaxies à droite, vient de traverser le grand amas à gauche.

La gigantesque collision a « décoiffé » les deux amas de leur halo de gaz provoquant une onde de choc visible dans la pointe de la petite tache rouge. Cette onde de choc a fortement comprimé et donc échauffé les gaz de l'amas au point d'atteindre 100 millions de degrés. Par endroit le télescope Chandra X-ray Observatory a mesuré une vitesse de déplacement des gaz de 4500 km/s.

Les deux amas sont maintenant séparés de 3,4 années-lumière et la masse totale calculée en fonction de leur vitesse et de leur distance, représente bien plus que la masse de la matière ordinaire visible (galaxies vues dans le domaine optique et gaz vu dans le domaine des rayons x). Ce sont les régions volontairement colorées en bleu qui montrent la distribution de la matière noire invisible dans le cluster. Dans ce choc frontal titanesque, la matière noire s'est comportée comme la matière ordinaire, elle n'a pas interagi, elle a traversé l'autre matière noire sans heurt alors que le gaz interstellaire a été arraché des amas. Cela a provoqué l'onde de choc que l'on voit dans le nuage rouge en forme de boulet de gaz à droite. La séparation claire de la matière noire et des nuages de gaz est considéré comme une preuve directe de l'existence de la matière noire.