Les amas de galaxies sont les plus grandes structures gravitationnellement liées de l’univers, chacune contenant des centaines, voire des milliers de galaxies. Lorsque deux de ces géants entrent en collision, ils s’envoient de puissantes ondes de choc, libérant une énergie d’une ampleur jamais vue depuis le Big Bang.
Les ondes de choc balayent les électrons, les dynamisent et les amènent à émettre des ondes radio lorsqu'ils tournent en spirale autour des lignes de champ magnétique. Le résultat est une « relique radio » : un vaste arc d’émission radio, qui peut s’étendre sur plus de 6 millions d’années-lumière, soit environ 60 à 70 galaxies de la Voie lactée alignées bout à bout.
Ces dernières années, cependant, les énigmes entourant les reliques radiophoniques se sont multipliées. Premièrement, lorsque les observateurs mesurent l’intensité du champ magnétique dans une relique, ils constatent que la valeur est inexplicablement élevée. Tout aussi curieusement, la force de l’onde de choc sous-jacente semble changer selon qu’elle est observée à l’aide de longueurs d’onde radio ou de rayons X.
Enfin, et c’est peut-être le plus inquiétant, les données radiologiques impliquent que bon nombre des ondes de choc alimentant les radioreliques sont en réalité trop faibles pour alimenter correctement les électrons. Cela met ces résultats en contradiction avec l’existence même des reliques radio.
Les chercheurs de l’AIP ont finalement réussi à résoudre ces problèmes grâce à une approche multi-échelle innovante. « La clé de notre succès a été de résoudre le problème à l'aide de diverses échelles », explique le Dr Joseph Whittingham, chercheur postdoctoral à l'AIP et auteur principal de l'étude publiée sur le site. arXiv serveur de préimpression.
« Nous avons d'abord retracé la formation des ondes de choc dans des simulations cosmologiques, avant de reproduire ce que nous avons vu dans une configuration plus idéalisée, avec une résolution nettement meilleure. » Dans leur dernière étape, les auteurs ont cartographié l'évolution des électrons excités et l'émission radio qui en résulte à partir des premiers principes. Par conséquent, leur modélisation relie la physique de la taille des amas de galaxies à des processus qui se produisent à des échelles aussi petites que l'orbite d'un électron, à des échelles mille milliards de fois plus éloignées.
Les chercheurs ont découvert que lorsque les ondes de choc atteignent le bord d’un amas de galaxies, elles entrent en collision avec d’autres chocs produits par le gaz froid entrant. Ce processus comprime le matériau environnant, formant une couche dense de gaz qui se déplace vers l'extérieur, où elle se transforme en d'autres amas de gaz. « L'ensemble du mécanisme génère des turbulences, tordant et comprimant le champ magnétique jusqu'aux intensités observées, résolvant ainsi la première énigme », rapporte le co-auteur, le professeur Christoph Pfrommer.
De plus, lorsque l’onde de choc traverse des amas de gaz, une partie du front de choc devient plus forte, augmentant ainsi l’émission radio. En revanche, l’émission de rayons X continue de refléter la résistance aux chocs moyenne, globalement plus faible, expliquant ainsi pourquoi les données des deux types de rayonnement sont généralement en désaccord, résolvant ainsi la deuxième énigme.
Enfin, étant donné que l’écrasante majorité d’une relique radio est constituée uniquement des parties les plus puissantes du front de choc, les valeurs moyennes inférieures déduites des données radiologiques ne constituent finalement pas un problème pour la théorie de l’excitation électronique lors des chocs. « Ce succès nous motive à poursuivre notre étude pour répondre aux mystères non résolus entourant les reliques radio », explique Whittingham.
