En observant la collision de deux amas massifs de galaxies, des astronomes ont pu confirmer que la matière noire et la matière ordinaire peuvent se séparer dans certaines circonstances. Les deux amas de galaxies en question, connus collectivement sous le nom de MACS J0018.5+1626, fournissent d’après les scientifiques des informations essentielles sur la complexité de la matière. En outre, pour la première fois, cette observation a permis de mesurer directement la vitesse de découplage entre la matière noire et la matière ordinaire.
Les amas de galaxies sont d’immenses structures cosmiques maintenues par la gravité, dont 15 % de la masse est généralement constituée de matière ordinaire (principalement sous forme de gaz chaud, d’étoiles et de planètes). Les 85 % restants sont composés de matière noire, une substance invisible influencée par la gravité. Lors de la collision des amas MACS J0018.5+1626, les galaxies sont restées majoritairement intactes en raison de l’espace considérable qui les sépare.
Cependant, les réserves de gaz chaud situées entre ces galaxies sont entrées en collision. Par conséquent, la matière ordinaire, qui interagit également par le biais de l’électromagnétisme, a ralenti à mesure que les gaz se réchauffaient. En revanche, la matière noire, qui n’est pas soumise aux effets électromagnétiques, a continué à avancer.
Pour effectuer cette observation inédite, l’équipe a utilisé les données de plusieurs observatoires, dont l’observatoire submillimétrique Caltech, l’observatoire WM Keck, l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA, le télescope spatial Hubble, l’observatoire spatial Herschel de l’Agence spatiale européenne et le télescope submillimétrique d’Atacama au Chili. Les résultats de l’analyse ont été publiés dans la revue Astrophysical Journal.
Une occasion en or de mesurer la vitesse de la matière noire et de la matière ordinaire
Ce n’est pas la première fois qu’un tel découplage entre matière noire et matière ordinaire est observé. Un phénomène similaire a été détecté dans le Bullet Cluster, où deux amas de galaxies se sont traversés. Lors de cette fusion, la matière ordinaire avait pris du retard sur la matière noire. Dans le cas de MACS J0018.5+1626, une observation similaire a été faite, mais avec une orientation de fusion tournée d’environ 90° par rapport à celle du Bullet Cluster.
« Pensez à une collision massive entre plusieurs camions à benne basculante transportant du sable. La matière noire est comme le sable et vole devant », a déclaré Emily Silich, astronome à Caltech et au Centre d’astrophysique de Harvard & Smithsonian. Cette orientation particulière dans MACS J0018.5+1626 a donné aux chercheurs une occasion unique de cartographier pour la première fois la vitesse de la matière noire et de la matière ordinaire.
« Avec le Bullet Cluster, c’était comme si nous étions assis dans une tribune en train de regarder une course automobile », a expliqué Jack Sayers. « Ici, c’est plutôt comme si nous étions en ligne droite avec un pistolet radar, debout devant une voiture qui vient vers nous, capables d’obtenir sa vitesse », a-t-il ajouté.
Pour mesurer la vitesse du gaz présent dans l’amas, Sayers et ses collègues ont utilisé une méthode d’observation connue sous le nom d’effet cinétique Sunyaev-Zel’dovich (SZ). Lorsque les photons du fond diffus cosmologique (CMB) diffusent des électrons dans un gaz chaud, l’effet SZ se produit, entraînant un décalage Doppler. En mesurant ce changement de luminosité, les scientifiques ont pu déterminer la vitesse des nuages de gaz dans les amas de galaxies.
« Les effets Sunyaev-Zeldovich étaient encore un outil d’observation très récent lorsque nous avons allumé pour la première fois une nouvelle caméra au CSO pointée sur les amas de galaxies en 2006 », a déclaré Sunil Golwala. « Nous attendons avec impatience une multitude de nouvelles surprises lorsque nous installerons des instruments de nouvelle génération sur le télescope dans son nouveau siège au Chili », a ajouté le professeur.
L’équipe a effectué la première détection observationnelle de l’effet cinétique SZ il y a 11 ans, avec un amas de galaxies nommé MACS J0717. En 2019, l’effet cinétique SZ a de nouveau été utilisé pour mesurer la vitesse du gaz dans plusieurs amas de galaxies. Les chercheurs ont également exploité les données de l’observatoire Keck pour déterminer la vitesse des galaxies, indiquant par la même occasion celle de la matière noire.
Cependant, à ce stade de la recherche, une anomalie dans MACS J0018.5+1626 a interpellé l’équipe : le gaz chaud se déplaçait dans la direction opposée à celle de la matière noire. « Nous avons eu une situation complètement bizarre avec des vitesses dans des directions opposées », a expliqué Sayers. Les scientifiques se sont alors tournés vers les données de l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA pour étudier ce phénomène.
Ils ont ainsi pu analyser la température, l’emplacement du gaz dans les amas et le niveau de choc du gaz. Les chercheurs ont découvert qu’avant d’entrer en fusion, les amas de MACS J0018.5+1626 s’étaient rapprochés à une vitesse de 3 000 kilomètres par seconde. « Cette étude est un point de départ vers des recherches plus détaillées sur la nature de la matière noire », conclut Silich.
VIDÉO : Simulation de la collision entre les deux amas massifs de galaxies. Au fur et à mesure que la collision progresse, la matière noire (en bleu) se déplace devant les nuages de gaz chaud, composés de matière ordinaire (en orange). © Observatoire WM Keck/Adam Makarenko :
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