La lumière interne des amas de galaxies permet de révéler la distribution de matière noire

Selon le Modèle Standard de la cosmologie, la matière noire représente environ 27% de la densité d’énergie totale de l’Univers. Cependant, à l’heure actuelle, elle demeure toujours hypothétique. En analysant des images de galaxies prises par le télescope Hubble, des scientifiques ont découvert que la lumière intra-amas permettait de détecter plus précisément la présence de matière noire que toutes les autres méthodes disponibles.

En utilisant les observations antérieures de Hubble de six amas de galaxies massives dans le cadre de la mission Frontier Fields, les astronomes ont démontré que la lumière intra-amas — l’éclat diffus entre les galaxies d’un amas — retrace le chemin de la matière noire en éclairant sa distribution avec plus de précision que les méthodes existantes qui observent les rayons X. Les résultats de la découverte ont été publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

La lumière intra-amas est le sous-produit des interactions entre galaxies qui perturbent leurs structures ; dans le chaos, des étoiles individuelles sont libérées de leurs attaches gravitationnelles dans leur galaxie d’origine pour se réaligner avec la distribution de gravité de l’ensemble. C’est également là que réside la grande majorité de la matière noire.

La lumière des rayons X indique l’endroit où les groupes de galaxies entrent en collision, mais pas la structure sous-jacente de l’amas. Cela en fait un traceur de matière noire moins précis.

« La raison pour laquelle la lumière intra-amas est un excellent traceur de matière noire dans un amas de galaxies est que la matière noire et les étoiles à l’origine de la lumière intra-amas flottent librement sur le potentiel gravitationnel de l’amas lui-même — elles « suivent » donc la même gravité » déclare Mireia Montes, astrophysicienne à l’Université de New South Wales à Sydney.

« Nous avons trouvé un nouveau moyen de voir l’emplacement de la matière noire, car il s’agit de tracer exactement le même potentiel gravitationnel. Nous pouvons éclairer, avec une très faible lueur, la position de la matière noire. Cette méthode nous permet de caractériser, de manière statistique, la nature ultime de la matière noire ».

Montes souligne également que non seulement la méthode est précise, mais elle est plus efficace dans la mesure où elle utilise uniquement l’imagerie en profondeur, plutôt que les techniques plus complexes de la spectroscopie, qui prennent beaucoup de temps. Cela signifie qu’il est possible d’étudier plus d’amas et d’objets dans l’espace en moins de temps, ce qui résultera en davantage de preuves potentielles de la composition de la matière noire et de son comportement.

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Les astronomes ont utilisé la distance modifiée de Hausdorff (MHD), une métrique utilisée pour l’appariement des formes, pour mesurer les similitudes entre les contours de la lumière intra-amas et ceux des différentes cartes de masse d’amas, qui font partie des données extraites du projet Hubble Frontier Fields. La MHD mesure la distance entre deux sous-ensembles. Plus la valeur de la MHD est petite, plus les ensembles de deux points sont similaires.

Cette analyse a montré que la distribution lumineuse intra-amas vue dans les images du Hubble Frontier Fields correspondait mieux à la distribution de masse des six amas de galaxies que l’émission de rayons X, à partir d’observations archivées du spectromètre d’imagerie CCD avancé (ACIS) de l’observatoire à rayons X Chandra.

Au-delà de cette étude initiale, Montes et Trujillo voient de nombreuses opportunités d’élargir leurs recherches. Pour commencer, ils aimeraient augmenter le rayon d’observation dans les six groupes originaux, pour voir si le degré de précision de traçage est respecté. Un autre test important de leur méthode sera l’observation et l’analyse d’amas de galaxies supplémentaires par davantage d’équipes de recherche, afin de compléter l’ensemble de données et de confirmer leurs conclusions.

Les astronomes attendent également avec intérêt l’application des mêmes techniques avec de futurs télescopes spatiaux puissants, tels que le télescope spatial James Webb et WFIRST, qui disposeront d’instruments encore plus sensibles pour la résolution de la faible lumière intra-amas dans l’univers lointain.

Trujillo voudrait tester la réduction de la méthode des amas de galaxies massives aux galaxies simples. « Ce serait fantastique de le faire aux échelles galactiques, par exemple en explorant les halos stellaires. En principe, la même idée devrait fonctionner ; les étoiles qui entourent la galaxie suite à la fusion devraient également suivre le potentiel gravitationnel de la galaxie, éclairant l’emplacement et la distribution de la matière noire ».

Source : NASA