Résultat scientifique

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.

Une équipe d’astronomes européens 1, dont des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université), a confirmé la présence d’une planète « invisible », grâce au spectrographe SOPHIE 2 installé sur le télescope de 1,93m de l’Observatoire de Haute-Provence. Cette planète, Kepler-88 c, avait été prédite grâce à la perturbation gravitationnelle qu’elle cause sur sa planète voisine, Kepler-88 b. Ce résultat est publié aujourd’hui dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Pendant les quatre années de sa mission, le télescope spatial Kepler ³ a trouvé plus de 3500 transits planétaires sur des centaines de milliers d’étoiles étudiées. Cependant, toutes les planètes situées dans le champ de vue de Kepler ne passent pas devant leur étoile hôte. En effet, si le plan de leur orbite est légèrement incliné (quelques degrés suffisent) par rapport à la direction de la Terre, la planète n’occulte pas l’étoile. Elle est donc « invisible » pour Kepler.

Des planètes en orbite autour d’une même étoile interagissent gravitationnellement les unes avec les autres. Dans ces systèmes à plusieurs planètes, cette interaction cause des perturbations dans les temps auxquels se produisent les transits planétaires ⁴. Ce phénomène est appelé variations des temps de transit ou TTV. La technique des TTV est sensible à des planètes aussi petites que la Terre et permet de mettre en évidence les perturbations gravitationnelles dans les systèmes planétaires. C’est le cas du système Kepler-88 autour duquel le télescope spatial Kepler a détecté une planète en transit (Kepler-88 b). Cette planète est si fortement perturbée par une autre planète qui elle ne transite pas, que ce système a gagné le surnom de Roi des variations de temps de transit.

Une analyse précédente ⁵ a prédit que ce système devrait être composé d’une paire de deux planètes proches de la résonance deux:un (i.e. la période orbitale de la planète externe est exactement deux fois plus longue que celle de la planète interne). Cette configuration orbitale est la même que celle entre la Terre et Mars dans le système solaire, Mars orbitant autour du Soleil en près de 2 ans. En utilisant le spectrographe SOPHIE, une équipe européenne d’astronomes a réussi à mesurer directement, grâce à la méthode des vitesses radiales ⁶, la masse de la planète invisible Kepler-88 c.

C’est la première fois que la masse d’une exoplanète invisible, déduite de la variation de temps de transit est confirmée indépendamment par une autre technique. Ce résultat valide donc la technique des TTV pour détecter des planètes invisibles et explorer les systèmes multiplanètes. Cette technique a été utilisée pour déterminer la masse de plus de 120 exoplanètes détectées par Kepler dans 47 systèmes planétaires, jusqu’à des planètes à peine plus massives que la Terre. Il aide à mieux comprendre les interactions dynamiques et la formation de systèmes planétaires. Cela permet aussi d’anticiper l’exploration future de nouveaux systèmes exoplanétaires depuis l’espace comme pourra le faire le télescope PLATO ⁷.