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Utilisant le télescope spatial Hubble (NASA/ESA), une équipe internationale d’astronomes a pu cartographier la masse d’un amas de galaxies avec la plus grande précision jamais obtenue. Cette étude réalisée à partir des observations du programme ‘Hubble Frontier Fields’ a permis de dresser une carte montrant la quantité ainsi que la distribution de la masse dans l’amas MACSJ0416.1-2403. Cet amas de galaxies très massif « pèse » 160 000 milliards de fois plus que le Soleil. La précision et le détail obtenus avec cette carte a été possible grâce à la profondeur sans précèdent des nouvelles observations faites avec Hubble, combinée à l’effet de lentille gravitationnelle.

Afin d’explorer le contenu des amas de galaxies, les astronomes utilisent souvent une astuce observationnelle : l’effet de lentille gravitationnelle créé par les amas de galaxies sur les rayons lumineux provenant de galaxies d’arrière plan. Cela fait de l’amas de galaxies un télescope (naturel) cosmique !

L’ambitieux programme d’observation « Hubble Frontier Fields » compte sur cet effet pour parvenir à son but principal : observer les premières galaxies de l’Univers – et ce en observant six amas de galaxies, parmi les plus massifs connus, incluant MACSJ0416.1-2403.

Remerciements : Mathilde Jauzac (Durham University, UK and Astrophysics & Cosmology Research Unit, South Africa),Jean-Paul Kneib (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland)) Eric Jullo (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille/CNRS/Université d’Aix-Marseille) et Marceau Limousin (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille/CNRS/Université d’Aix-Marseille)

Dans notre Univers, les fortes concentrations de masse déforment l’Espace-Temps autour d’elles. Elles agissent comme des lentilles, amplifiant et courbant la lumière émise par des objets plus distants qui les traverse.

Malgré leur masse très élevée, l’effet que les amas de galaxies produisent dans leurs régions extérieures (là où ils sont moins denses) est généralement minimal et ne peut être visible à l’œil. C’est ce que l’on appelle l’effet de lentille gravitationnelle faible, qui fait apparaître les galaxies distantes très légèrement déformées, avec une forme légèrement plus elliptique. Cependant, si l’amas est suffisamment étendu et massif, et que l’alignement entre l’amas et les objets distants est parfait, les effets observés peuvent plus spectaculaires. Les images de galaxies peuvent être déformées en anneaux et en arcs étendus de lumière, et peuvent apparaître plusieurs fois. La position et la forme de ces images multiples dépendent de la distribution de masse dans l’amas. C’est ce que l’on appelle l’effet de lentille gravitationnelle forte, et c’est ce phénomène, observé dans les six amas de galaxies ciblés par le programme « Hubble Frontier Fields », qui a été utilisé afin de tracer la distribution de masse dans MACSJ0416.1-2403, en utilisant les nouvelles données Hubble.

« La qualité des données nous permet de voir des objets extrêmement faibles, et nous a permis d’identifier beaucoup plus de galaxies lentillées que nous n’en connaissions auparavant. » explique Mathilde Jauzac de Durham University (Royaume-Unis) et Astrophysics & Cosmology Research Unit (Afrique du Sud), premier auteur de cette nouvelle publication « Frontier Fields ». « Même si l’effet de lentille forte amplifie les galaxies distantes, elles restent très lointaines et très peu brillantes. La profondeur atteinte avec les données « Frontier Fields » nous permet d’identifier des galaxies incroyablement distantes. Ces observations de MACSJ0416 nous ont permis de multiplier par quatre le nombre de galaxies lentillées connues ! »

Utilisant l’instrument ACS (Advanced Camera for Surveys), ce groupe international d’astronomes a identifié 51 nouvelles galaxies lentillées, multipliant par quatre le nombre de ces objets identifiés avec les observations précédentes, et portant le nombre total à 68. Cela correspond à presque 200 images de ces galaxies visibles dans MACSJ0416. Ce sont ces galaxies lentillées qui ont permises à Mathilde Jauzac et ses collaborateurs de reconstruire la distribution de matière visible et noire dans l’amas avec une précision jusque là inégalée. « Notre carte de masse est deux fois plus précise que celles obtenues avec les modèles précédents de cet amas ! » précise Mathilde Jauzac.

« Bien que nous sachions depuis plus de 20 ans comment reconstruire la masse d’un amas de galaxies en utilisant l’effet de lentille forte, il a fallu beaucoup de temps pour obtenir des télescopes capables d’observations de cette profondeur et de cette qualité, ainsi que pour obtenir des modèles suffisamment sophistiqués pour nous permettre d’obtenir une telle précision dans la cartographie de la masse d’un système aussi compliqué que MACSJ0416. » explique Eric Jullo membre de l’équipe et astronome adjoint au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille..

Les observations « Frontier Fields », combinées à l’effet de lentille gravitationnelle ont ainsi permis d’ouvrir la voie vers une caractérisation plus précise des objets cosmiques distants – dans le cas actuel, un amas tellement lointain que sa lumière a voyagé pendant 4.5 milliards d’années avant de nous parvenir,.« Nous n’allons pas nous arrêter là. Afin d’obtenir une image globale de la distribution de la matière dans MACSJ0416, nous allons inclure des mesures de l’effet de lentille faible. Bien que t cet effet ne donne qu’une estimation peu précise de la masse dans les régions très centrales de l’amas – les plus denses –, il est néanmoins très important si l’on souhaite obtenir des informations sur la masse présente dans les régions externes de l’amas, » ajoute Jean-Paul Kneib, directeur de recherche au CNRS, en détachement à l’École polytechnique fédérale de Lausanne, en Suisse et l’un des membres de l’équipe.

Cette équipe de recherche continue à étudier cet amas en utilisant les données ultra-profondes de Hubble combinées aux informations détaillées provenant de l’analyse des effets de lentille forte et faible, afin de cartographier la masse à la fois dans les régions externes et internes de l’amas. Cette combinaison leur permet de détecter des sous-structures autour de l’amas. Combinant les observations de Hubble avec des mesures dans les rayons X du gaz chaud et du mouvement des galaxies, ces astronomes vont pouvoir cartographier les différentes composantes de l’amas, à savoir la matière noire, le gaz, et les étoiles.

La combinaison de toutes ces données va permettre d’améliorer l’actuelle carte de masse, permettant une vision en trois dimensions de la distribution de matière et montrant la dynamique des galaxies au sein de l’amas. Ce travail ouvre la voie vers une meilleure compréhension de l’histoire et de l’évolution de cet amas de galaxies.

Les résultats de cette analyse ont été publiés en ligne dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society le 24 Juillet 2014.

Deux astronomes français, l’un travaillant à l’IRAP (OMP, Université Paul Sabatier de Toulouse et CNRS) et l’autre au LAM (Institut Pythéas, Université d’Aix-Marseille et CNRS), viennent de contribuer à la cartographie de la distribution de galaxies, de gaz chaud et de matière noire au sein du Bullet Group. Ce travail fait l’objet d’un article parut le 6 juin 2014, au sein de la revue MNRAS.

Les galaxies ne sont pas aussi isolées qu’il y paraît ; à l’échelle cosmique, elles se rassemblent en amas avec la matière noire et le gaz chaud. Sur cette image composite constituée à partir des données issues de plusieurs télescopes dont le télescope XMM-Newton de l’ESA figure, sous l’aspect d’une tâche colorée, un ensemble de galaxies baptisé Bullet Group. Ses constituants se distinguent nettement les uns des autres : ainsi le gaz chaud, de couleur rouge, et la matière noire, de couleur bleue. Cette distribution particulière résulte d’un processus de fusion s’étant produit dans le passé ¹.

En dépit des grandes distances qui les séparent, les galaxies sont rarement isolées dans l’espace. Elles constituent bien souvent de grands ensembles baptisés groupes et amas de galaxies. De taille modeste, les groupes sont composés d’une cinquantaine de galaxies liées entre elles par la gravité. De dimensions plus élevées, les amas rassemblent quant à eux des centaines, voire de milliers de galaxies. Ces structures renferment également de vastes quantités de gaz chaud qui remplit l’espace entre les galaxies et brille intensément dans les régions X du spectre électromagnétique. Enfin, la matière noire, qui n’émet aucune lumière mais exerce des effets gravitationnels sur les autres objets, domine largement le budget de masse au sein de ces groupes et amas.

Cette matière noire invisible influe sur la distribution des galaxies et du gaz chaud au sein d’un groupe ou amas ; ses effets gravitationnels jouent un rôle prépondérant dans la création des structures cosmiques à grande échelle. Bien souvent, les galaxies et le gaz chaud se situent dans des poches d’univers caractérisées par les plus grandes densités de matière noire. Toutefois, lorsque des groupes ou des amas de galaxies entrent en collision, leurs constituants respectifs ne se mélangent pas parfaitement. Ces chocs cosmiques donnent lieu à de curieuses configurations : ainsi, le gaz chaud, constitué de la matière baryonique ordinaire d’un groupe ou d’un amas, se trouve éloigné des galaxies et de la matière noire.

Cette image de l’objet SL2S J08544-0121 baptisé Bullet Group laisse à penser que la formation de ce groupe résulte d’une collision de ce type. Le gaz diffus qu’il contient est si chaud qu’il émet un intense rayonnement X détecté par l’Observatoire XMM-Newton de l’ESA, figuré ici en rouge. Le gaz chaud occupe une bulle de vastes dimensions, tandis que la matière noire (figurée en bleu) et les galaxies semblent être divisées en deux parties distinctes.

Les astronomes pensent que la tâche située à droite de l’image s’est comportée à l’image d’une « balle », se déplaçant de l’extrémité inférieure gauche à l’extrémité supérieure droite de l’image. Au cours de ce processus, elle est entrée en collision avec l’autre sous-structure du groupe puis l’a traversée de part en part.

Les collisions de groupes et d’amas de galaxies se traduisent par le mélange de leurs contenus respectifs. Toutefois, chaque constituant se comporte différemment : ainsi, bien que les galaxies et la matière noire issues de chaque groupe ou amas aient pris part à la formation du Bullet Group, elles n’ont pratiquement pas été affectées par cet événement et sont restées confinées au sein de leurs sous-structures originales, comme en témoigne cette image. Au contraire, les particules de gaz chaud des deux groupes sont entrées en interaction électromagnétique les unes avec les autres, ce qui aboutit à la formation d’un vaste nuage de gaz chaud – de couleur rouge sur cette image.

Cette séparation du gaz, des galaxies et de la matière noire a été observéee dans plusieurs amas de galaxies massifs, au premier rang desquels figure le célèbre Bullet Cluster. Toutefois, elle n’a encore jamais été observée au sein d’objets de plus faible masse tels que des groupes de galaxies. Le Bullet Group constitue ainsi la structure la plus petite au sein de laquelle cet effet a été observé.

Bien qu’elle ne soit pas visible à l’œil nu – ni au travers du moindre télescope, les astronomes ont été en mesure de dresser les contours de la matière noire qui emplit le Bullet Group. Pour ce faire, ils ont mesuré son impact gravitationnel sur la lumière en provenance de galaxies lointaines, situées derrière le groupe. Un objet massif tel qu’un groupe de galaxies déforme localement l’espace-temps, lui assignant une courbure particulière. Lorsque la lumière issue de galaxies plus lointaines passe à proximité de ce groupe, elle épouse les contours de cet environnement. S’ensuivent l’apparition de curieux effets optiques. Cette distorsion se nomme effet de lentille gravitationnelle.

Si l’objet lentille est très massif et constitue, depuis la Terre, un alignement avec la source de lumière, cet effet devient saisissant : les galaxies situées en arrière plan semblent se distribuer en anneaux ou en arcs de cercle sur le fond du ciel ; parfois même, des images multiples d’une même galaxie se forment.

Un tel effet se manifeste à droite du centre de l’image : une galaxie sphérique et brillante du Bullet Group est entourée de curieux arcs de lumière – il s’agit là de l’image déformée d’une autre galaxie située en arrière plan.

L’étude des constituants de ces naufragés cosmiques permet aux astronomes de mieux définir les propriétés de la matière noire. En particulier, la scission entre matière noire et gaz chaud permet de contraindre la présence (ou l’absence) d’interaction entre la matière noire et la matière ordinaire, et ainsi d’en savoir un peu plus sur cette mystérieuse composante. La possibilité d’observer cet effet au sein d’objets de plus faibles dimensions tel que le Bullet Group, en nombre nettement supérieur à celui des amas de galaxies plus massifs, ouvre de nouvelles perspectives d’étude du rôle de la matière noire à l’échelle de l’univers tout entier.