Dernière mise à jour : 28 juin 2024

Amas du Boulet : Collision cosmique et preuve directe de la 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

Un amas de galaxies en collision

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.

Composition physique de l’amas

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.

Lentille gravitationnelle et cartographie de la matière noire

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

Gaz intra-amas et plasma chaud

Les amas de galaxies ne sont pas constitués que de galaxies, ils baignent dans du gaz froid de faible densité (environ 1000 particules/m³) et dans du gaz chaud atteignant 10 à 100 millions de degrés. À ces températures, le gaz est totalement ionisé, il s'agit d'un plasma visible dans le domaine des rayons X.

Répartition de la masse et contenu énergétique de l’Univers

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 l'amas est bien plus importante que la masse des galaxies elles-mêmes. 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 qu’environ 4 % de la masse totale. Environ 23 % correspondrait à la matière noire et 73 % à l’énergie noire, comme décrit dans le modèle SCDM (Standard Cold Dark Matter). Ce que nous observons à travers la lumière des étoiles, des galaxies et des amas correspond uniquement à la matière ordinaire.

Comment peut-on voir la matière noire ?

Gravitation et collision d’amas de galaxies

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 produite il y a environ 150 millions d'années. L'étude de cette collision, débutée en août 2006, a mis en évidence l'une des preuves observationnelles les plus solides de l'existence de la matière noire.

Comportement différencié des constituants lors de la collision

Lorsque des amas entrent en collision, la matière ordinaire (étoiles, gaz et poussières) est soumise aux forces gravitationnelles. En réalité, les objets massifs comme les étoiles n'entrent presque jamais en collision directe : l'espace interstellaire est immense et les étoiles passent les unes à côté des autres sans se rencontrer. Elles ne sont donc pas détruites, mais peuvent être légèrement accélérées ou ralenties par interaction gravitationnelle.

En revanche, durant la collision, les gaz froids et chauds, qui constituent l'essentiel de la masse baryonique des amas, interagissent fortement. Ces gaz sont brutalement ralentis, comprimés et mélangés en raison de leur nature diffuse, de leur faible liaison et de leur liberté atomique. Ce comportement contrasté est clairement visible sur les images composites de l’amas du Boulet.

Émission en rayons X et signature énergétique de la collision

Cette gigantesque collision entre les deux amas a libéré une énergie considérable. L’observation dans le domaine des rayons X apporte un éclairage fondamental sur la matière noire, car les étoiles, les gaz et la matière noire réagissent de manière très différente au choc gravitationnel.

Observation multi-longueurs d’onde

Les galaxies des deux amas sont observées en lumière visible et apparaissent sous forme de multiples taches blanches. Les gaz chauds sont détectés dans le domaine des rayons X et apparaissent sous forme de nuages rouges. La matière noire, quant à elle, est cartographiée indirectement par effet de lentille gravitationnelle et représentée par une lumière bleue diffuse.

Géométrie de la collision et traversée des amas

L’image montre des centaines de galaxies regroupées en amas, avec un petit amas visible dans la tache bleue de droite et un amas plus massif dans la tache bleue de gauche. Les enveloppes gazeuses associées apparaissent en rouge. En réalité, le petit amas de galaxies a traversé le grand amas, laissant derrière lui son gaz fortement ralenti.

Onde de choc et chauffage du plasma intra-amas

La collision a littéralement « décoiffé » les amas de leur halo gazeux, générant une onde de choc visible à l’avant de la petite tache rouge. Cette onde de choc a comprimé et chauffé le plasma intra-amas jusqu’à des températures de l’ordre de 100 millions de degrés. Le télescope Chandra X-ray Observatory a mesuré localement des vitesses de déplacement du gaz atteignant 4500 km/s.

Séparation matière baryonique / matière noire : preuve observationnelle

Les deux amas sont aujourd’hui séparés d’environ 3,4 milliards d’années-lumière. La masse totale déduite de leur dynamique gravitationnelle est très supérieure à la masse de la matière ordinaire observable (galaxies visibles en optique et gaz détecté en rayons X). Les régions colorées en bleu montrent la distribution de la matière noire invisible.

Lors de ce choc frontal titanesque, la matière noire s’est comportée comme une composante collisionnelle négligeable : elle a traversé l’autre amas sans interaction significative, contrairement au gaz interstellaire qui a été arraché et ralenti. Cette séparation nette entre la matière noire et les nuages de gaz constitue une preuve directe et robuste de l’existence de la matière noire.