Ondes de choc gigantesques observables dans l'Univers

Onde choc de Kappa Cassiopée

Cette onde de choc (l'arc rouge sur l'image ci-contre) se situe dans notre Galaxie, la Voie Lactée. L'onde de choc provoquée par le déplacement d'une étoile peut comprimer le gaz ténu de l'espace. Lorsqu'on observe dans l'infrarouge, l'environnement de l'étoile Kappa Cassiopée qui file à une vitesse impressionnante, on voit cette pression exercée à l'avant de l'étoile. La rencontre à très grande vitesse du gaz propulsé par le déplacement de l'étoile et du gaz tenu de la Galaxie, crée cet arc photographié par le télescope spatial Spitzer. Kappa Cassiopeiae (κ Cas, κ Cassiopeiae) ou HD 2905 pour les astronomes, est une supergéante bleue massive et chaude qui se déplace à environ 4 millions km/h par rapport à ses voisines, soit 1 110 km/s. Cet arc de choc autour d'une étoile dévoile sa très grande vitesse relative. Le passage de l'étoile colore la matière environnante d'une lueur rouge. Ces structures sont parfois présentes en face des plus rapides et des plus massives étoiles de la Voie Lactée.

Ces chocs se forment là où le champ magnétique et le vent de particules entrent en collision avec le gaz et la poussière diffuse qui remplissent l'espace interstellaire. La vitesse de déplacement de notre Soleil est de 217 km/s mais son onde de choc est pratiquement invisible à toutes les longueurs d'onde de la lumière. Par contre, le déplacement rapide de Kappa Cassiopeiae crée des chocs qui peuvent être vus par les détecteurs infrarouges de Spitzer. Cette onde de choc qui devance l'étoile, a un rayon de 4 années-lumière (1 al = 9 460 895 288 762 850 mètres).

Image : Image de l'onde de choc de Kappa Cassiopée. L'arc rouge de cette image infrarouge prise par le télescope spatial Spitzer de la NASA, est une onde de choc géante, créée par la différence de vitesse de déplacement de l'étoile Kappa Cassiopeiae (l'étoile au centre de l'arc) par rapport à ses voisines.

Onde de choc de la Tarentule

Environ 2400 étoiles massives sont cachées au centre de la nébuleuse de la Tarentule (30 Doradus). Ces étoiles produisent un rayonnement si intense que les vents puissants, soufflent au large, la matière. Le gaz de la nébuleuse est chauffé à plusieurs millions de degrés par l'onde de choc des rayonnements stellaires. Ces ondes de choc sont représentées en bleu sur l'image à rayons X, prise par le télescope Chandra X-ray Observatory. Ces ondes de choc sont produites par les vents et les rayonnements ultraviolets émis par les jeunes étoiles de l’amas. Ces explosions sculptent dans le nuage de poussière, des bulles bleues gigantesques de gaz surchauffé, parmi la matière froide de la nébuleuse. Cette matière froide de couleur orange, est ici vue en émission infrarouge grâce au télescope spatial Spitzer.

RMC 136, est le superamas d'étoiles, situé près du centre de la nébuleuse de la Tarentule. Il est connue sous le nom de 30 Doradus. La nébuleuse de la Tarentule se situe en dehors de notre Galaxie, dans le Grand Nuage de Magellan, à 170 000 années-lumière du système solaire.
Au cœur de cette région de formation d’étoiles, 30 Doradus, se trouve un gigantesque amas contenant les étoiles les plus grandes, les plus massives et les plus chaudes connues à ce jour.

Image : Image de la nébuleuse de la Tarentule vue en rayons X par le télescope Chandra X-ray et en rayons infrarouges par le télescope spatial Spitzer. Image Crédit: NASA

Onde de choc de la roue de Charrette

La Galaxie de la roue de charrette (aussi connue sous le nom de ESO 350-40) est une galaxie lenticulaire ou annulaire, située à environ 500 millions d'années lumière de distance, dans la constellation du sculpteur dans l'hémisphère sud.
La forme en roue de charrette de cette galaxie est le résultat d'une violente collision galactique qui s'est produite il y a environ 200 millions d'années.
Une petite galaxie a traversé le cœur du disque d'une grande galaxie, et a produit cette onde de choc gigantesque, qui a propagé le gaz et la poussière environnante, dans toute la galaxie, un peu comme les vaguelettes d'eau produites lorsqu'une pierre est jetée dans un lac.
La galaxie Cartwheel est maintenant entourée d'un anneau bleuté, de 150 000 années-lumière de diamètre, composé d'étoiles jeunes et brillantes. Le déplacement à grande vitesse de l'onde choc, a compressé la poussière et le gaz, ce qui a favorisé la naissance des étoiles qui illuminent maintenant, la périphérie de l'onde. Sur l'image, les régions de formation d'étoiles apparaissent en bleu. L'anneau extérieur de la galaxie, mesure 1,5 fois la taille de notre Voie Lactée. On constate sur cette image, que la galaxie est en train de reprendre la forme d'une galaxie spirale normale, avec des bras galactiques qui se reforment à partir du noyau central.

Cette galaxie était une galaxie identique à la Voie lactée, avant qu'elle ne subisse la collision frontale. Cet objet céleste est un des exemples les plus remarquables, de la classe des galaxies en anneau.
La formation d'étoiles dans les anneaux, comme celui de la Galaxie Cartwheel, favorise la formation d'étoiles de grandes tailles et très lumineuses. Lorsque ces étoiles massives explosent en supernova, il reste dans leurs cœurs, une étoile à neutrons ou un trou noir. Certaines de ces étoiles à neutrons et de ces trous noirs attirent la matière des étoiles proches, et deviennent des sources puissantes de rayons X.
La Roue de Charrette contient un nombre exceptionnellement élevé de ces trous noirs sources de rayons X, parce que beaucoup d'étoiles massives se sont formées dans l'anneau de la galaxie.
Cette image a été produite avec les données de Hubble et retraitée en utilisant le logiciel open source FITS Liberator 3, qui a été développé au ST-ECF. L'utilisation judicieuse de cet outil a permis, à partir des observations originales de Hubble, d'obtenir encore plus de détails sur la galaxie Cartwheel.

N. B. : Images d'Hubble à très haute résolution (ESA).

Image : Une petite galaxie a traversé le disque d'une grande galaxie, et a produit cette onde de choc gigantesque, qui a formé cette roue de gaz et de poussière. L'image retraitée de cet évènement cosmique, montre la galaxie Cartwheel ou galaxie de la roue de charrette aussi connue sous le nom de ESO 350-40. Image prise par le télescope Hubble NASA / ESA Space.

Onde de choc 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 extrêmement 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 un modèle admis majoritairement, 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.
Mais comment peut-on voir la matière noire ?
Les amas de galaxies sont les plus grandes structures observables de matière. Ils sont constitués de centaines de galaxies, liées ensemble par leur propre attraction gravitationnelle. La matière ordinaire des galaxies est essentiellement du gaz car la masse du gaz est beaucoup plus grande que la masse totale des étoiles. Toute la matière, matière ordinaire et matière noire, subit les forces du champ gravitationnel.
C'est dans l'amas du boulet que les cosmologistes ont pu « voir » la matière noire. L’amas du boulet ou 1E 0657-56 (Bullet cluster), 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 ou des galaxies entrent en collision, la matière (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 ci-contre.
Cette gigantesque collision entre les deux amas a dégagé une énergie considérable, peut-être la plus puissante de l'univers depuis le Big Bang. 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 taches blanches, les gaz chauds des deux amas sont observés dans les rayons X, ce sont les nuages rouges, la matière noire est représentée en bleu.
Mais que voyons-nous exactement ?
Nous voyons le résultat d'une collision entre deux amas. Sur cette 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. L'amas du boulet est l'un des amas les plus chauds connus. 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.

Image : Que voyons-nous sur cette image composite en fausse couleur ?
Nous voyons toutes la matière de l'amas du boulet "bullet cluster". Situés à 3,4 années-lumière l'un de l'autre, les deux amas de galaxies individuelles 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 représente 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. 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 : X-ray: NASA/CXC/CfA/ M.Markevitch et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/ D.Clowe et al. Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.;