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La matière noire défie les attentes : des vitesses surprenantes révélées par une collision monumentale entre amas de galaxies

SciTechDaily

Ce concept d'artiste montre ce qui s'est passé lorsque deux amas de galaxies massifs, connus collectivement sous le nom de MACS J0018.5, sont entrés en collision : la matière noire des amas de galaxies (en bleu) a navigué devant les nuages ​​associés de gaz chaud, ou matière normale (en orange). La matière noire et la matière normale ressentent toutes deux l'attraction de la gravité, mais seule la matière normale subit des effets supplémentaires comme des chocs et des turbulences qui la ralentissent lors des collisions. Crédit : Observatoire WM Keck/Adam Makarenko

Des astronomes ont observé une collision unique entre deux amas de galaxies, révélant comment la matière noire et la matière normale se séparent lors de telles rencontres.

En utilisant une combinaison de télescopes avancés et de techniques d'observation, notamment l'effet SZ, les chercheurs ont suivi les vitesses découplées de la matière noire et de la matière normale. Cette étude améliore notre compréhension de la nature mystérieuse de la matière noire et ouvre la voie à de futures recherches.

Découplage de la matière noire dans les amas de galaxies

Des astronomes ont démêlé une collision entre deux amas de galaxies massifs, dans laquelle les vastes nuages ​​de matière noire des amas se sont découplés de la matière dite normale. Les deux amas contiennent chacun des milliers de galaxies et sont situés à des milliards d'années-lumière de la Terre. Alors qu'ils se percutaient, la matière noire, une substance invisible qui ressent la force de gravité mais n'émet pas de lumière, a dépassé la matière normale. Ces nouvelles observations sont les premières à sonder directement le découplage des vitesses de la matière noire et de la matière normale.

Collés les uns aux autres par la force de gravité, les amas de galaxies comptent parmi les plus grandes structures de l'univers. Seulement 15 % de la masse de ces amas est constituée de matière normale, la même matière qui constitue les planètes, les êtres humains et tout ce que vous voyez autour de vous. La grande majorité de cette matière normale est constituée de gaz chaud, le reste étant constitué d'étoiles et de planètes. Les 85 % restants de la masse de l'amas sont de la matière noire.

Cette animation d'artiste montre une collision entre deux amas de galaxies massifs. Au fur et à mesure que la collision progresse, la matière noire des amas de galaxies (en bleu) se déplace devant les nuages ​​de gaz chaud associés, ou matière normale (en orange). Crédit de l'animation : WM Keck Observatory/Adam Makarenko

Dynamique des collisions et interaction de la matière

Au cours de la bataille qui a eu lieu entre les amas, connus collectivement sous le nom de MACS J0018.5+1626, les galaxies individuelles elles-mêmes sont restées en grande partie indemnes car il y a beaucoup d'espace entre elles. Mais lorsque les énormes réserves de gaz entre les galaxies (la matière normale) sont entrées en collision, le gaz est devenu turbulent et surchauffé. Alors que toute la matière, y compris la matière normale et la matière noire, interagit via la gravité, la matière normale interagit également via l'électromagnétisme, qui la ralentit lors d'une collision. Ainsi, alors que la matière normale s'est enlisée, les réserves de matière noire au sein de chaque amas ont continué à naviguer.

Émilie Silich

Emily Silich. Crédit : Caltech

Imaginez une collision massive entre plusieurs camions à benne basculante transportant du sable, suggère Emily Silich, auteur principal d'une nouvelle étude décrivant les résultats de Le Journal d'astrophysique« La matière noire est comme le sable et vole en avant. » Silich est un étudiant diplômé qui travaille avec Jack Sayers, professeur de recherche en physique à Caltech et chercheur principal de l’étude.

Méthodologie de recherche et observations

La découverte a été faite en utilisant des données de l'observatoire submillimétrique de Caltech (qui a récemment été retiré de son site de Maunakea à Hawaï et sera relocalisé au Chili), de l'observatoire WM Keck de Maunakea, NASAL'observatoire à rayons X Chandra de la NASA Le télescope spatial Hubblele Agence spatiale européenneL'observatoire spatial Herschel et l'observatoire Planck, aujourd'hui hors service (dont les centres scientifiques affiliés à la NASA étaient basés à l'IPAC de Caltech), ainsi que l'expérience du télescope submillimétrique d'Atacama au Chili. Certaines des observations ont été faites il y a plusieurs décennies, tandis que l'analyse complète utilisant tous les ensembles de données a eu lieu au cours des deux dernières années.

Analyse comparative avec le Bullet Cluster

Un tel découplage de la matière noire et de la matière normale a déjà été observé, notamment dans l’amas du Bullet. Dans cette collision, on peut voir clairement que le gaz chaud est en retard par rapport à la matière noire après que les deux amas de galaxies se sont percutés. La situation qui s’est produite dans MACS J0018.5+1626 (appelé par la suite MACS J0018.5) est similaire, mais l’orientation de la fusion est tournée d’environ 90 degrés par rapport à celle de l’amas du Bullet. En d’autres termes, l’un des amas massifs de MACS J0018.5 vole presque droit vers la Terre tandis que l’autre s’en éloigne à toute vitesse. Cette orientation a donné aux chercheurs un point de vue unique à partir duquel ils ont pu, pour la première fois, cartographier la vitesse de la matière noire et de la matière normale et élucider comment elles se découplent l’une de l’autre lors d’une collision d’amas de galaxies.

Jack Sayers

Jack Sayers explique la géométrie de la collision des amas de galaxies. Crédit : Caltech

« Avec le Bullet Cluster, c'est comme si nous étions assis dans une tribune et que nous regardions une course automobile et que nous pouvions capturer de magnifiques instantanés des voitures se déplaçant de gauche à droite sur la ligne droite », explique Sayers. « Dans notre cas, c'est plutôt comme si nous étions sur la ligne droite avec un radar, debout devant une voiture qui arrive vers nous et que nous pouvions obtenir sa vitesse. »

Mesurer les vitesses de la matière à l'aide de l'effet SZ

Pour mesurer la vitesse de la matière normale, ou gaz, dans l'amas, les chercheurs ont utilisé une méthode d'observation connue sous le nom d'effet cinétique Sunyaev-Zel'dovich (SZ). Sayers et ses collègues ont réalisé la première détection observationnelle de l'effet cinétique SZ sur un objet cosmique individuel, un amas de galaxies nommé MACS J0717, en 2013, en utilisant des données du CSO (les premières observations de l'effet SZ prises sur MACS J0018.5 remontent à 2006).

L'effet SZ cinétique se produit lorsque des photons provenant de l'univers primitif, le fond diffus cosmologique (CMB), se dispersent dans le gaz chaud en direction de nous, sur Terre. Les photons subissent un décalage, appelé effet Doppler, dû aux mouvements des électrons dans les nuages ​​de gaz le long de notre ligne de visée. En mesurant le changement de luminosité du CMB dû à ce décalage, les chercheurs peuvent déterminer la vitesse des nuages ​​de gaz au sein des amas de galaxies.

Cet extrait de poème, écrit par Emily Silich, une étudiante diplômée en astronomie de Caltech, a été inspiré par ses études sur les collisions entre des amas massifs de galaxies. En fait, elle l'a écrit pendant les nombreuses heures où son analyse des simulations de collisions d'amas de galaxies s'exécutait sur des centaines de cœurs d'ordinateur.

t = zéro :
particules initialisées,
gaz défini comme l'air.

Dipôles opposés
traversant comme un souffle livide
sans ses collisions.

Magma-colorisé,
se découplant de lui-même dans
rebondissements tumultueux

à partir de tessellations.
Une question de mémoire
non essentiel pour

époques définies par
un certain temps dans un autre ;
Écoulement parallèle.

Le poème complet a été publié dans le cadre d'un recueil dans le Anthologie de la revue de poésie Altadena.

Le rôle des observatoires avancés et les perspectives d’avenir

« Les effets Sunyaev-Zeldovich étaient encore un outil d’observation très récent lorsque Jack et moi avons tourné pour la première fois une nouvelle caméra au CSO sur les amas de galaxies en 2006, et nous n’avions aucune idée que des découvertes comme celle-ci seraient faites », explique Sunil Golwala, professeur de physique et directeur de thèse de Silich. « Nous nous attendons à une série de nouvelles surprises lorsque nous installerons des instruments de nouvelle génération sur le télescope dans son nouveau siège au Chili. »

En 2019, les chercheurs avaient effectué ces mesures cinétiques de la vitesse de propagation de la matière dans plusieurs amas de galaxies, ce qui leur avait indiqué la vitesse du gaz, ou de la matière normale. Ils avaient également utilisé Keck pour connaître la vitesse des galaxies de l’amas, ce qui leur avait indiqué par procuration la vitesse de la matière noire (car la matière noire et les galaxies se comportent de manière similaire lors de la collision). Mais à ce stade de la recherche, l’équipe avait une compréhension limitée de l’orientation des amas. Ils savaient seulement que l’un d’entre eux, MACS J0018.5, montrait des signes d’un phénomène étrange : le gaz chaud, ou matière normale, se déplaçait dans la direction opposée à la matière noire.

Défis et avancées dans la compréhension de la matière noire

« Nous avions un phénomène complètement anormal avec des vitesses dans des directions opposées, et au début, nous avons pensé qu'il pouvait s'agir d'un problème avec nos données. Même nos collègues qui simulent les amas de galaxies ne savaient pas ce qui se passait », explique Sayers. « Et puis Emily s'est impliquée et a tout démêlé. »

Pour une partie de sa thèse de doctorat, Silich s'est attaquée à l'énigme de MACS J0018.5. Elle s'est tournée vers les données de l'observatoire de rayons X Chandra pour révéler la température et l'emplacement du gaz dans les amas ainsi que le degré de choc subi par le gaz. « Ces collisions d'amas sont les phénomènes les plus énergétiques depuis la découverte de l'amas de rayons X de Chandra. Big Bang« Chandra mesure les températures extrêmes du gaz et nous informe sur l’âge de la fusion et sur la date de la collision des amas. » L’équipe a également travaillé avec Adi Zitrin de l’Université Ben-Gourion du Néguev en Israël pour utiliser les données de Hubble afin de cartographier la matière noire en utilisant une méthode connue sous le nom de lentille gravitationnelle.

De plus, John ZuHone, du Centre d'astrophysique de Harvard et Smithsonian, a aidé l'équipe à simuler la collision des amas. Ces simulations ont été utilisées en combinaison avec les données des différents télescopes pour déterminer la géométrie et le stade d'évolution de la rencontre des amas. Les scientifiques ont découvert qu'avant la collision, les amas se déplaçaient l'un vers l'autre à environ 3 000 kilomètres par seconde, soit environ 1 % de la vitesse de la lumière.

Grâce à une vision plus complète de ce qui se passait, les chercheurs ont pu comprendre pourquoi la matière noire et la matière normale semblaient se déplacer dans des directions opposées. Bien que les scientifiques disent qu'il est difficile de visualiser cela, l'orientation de la collision, associée au fait que la matière noire et la matière normale se sont séparées l'une de l'autre, explique les mesures de vitesse bizarres.

Conclusion et orientations futures de la recherche

Les chercheurs espèrent que d’autres études comme celle-ci permettront de découvrir de nouveaux indices sur la nature mystérieuse de la matière noire. « Cette étude est le point de départ d’études plus détaillées sur la nature de la matière noire », explique Silich. « Nous disposons d’un nouveau type de sonde directe qui montre comment la matière noire se comporte différemment de la matière normale. »

Sayers, qui se souvient avoir collecté pour la première fois les données de l'OSC sur cet objet il y a près de 20 ans, déclare : « Il nous a fallu beaucoup de temps pour assembler toutes les pièces du puzzle, mais maintenant nous savons enfin ce qui se passe. Nous espérons que cela mènera à une toute nouvelle façon d'étudier la matière noire dans les amas. »

L'étude a été financée par la National Science Foundation, la Wallace LW Sargent Graduate Fellowship du Caltech, le Chandra X-ray Center, la United States-Israël Binational Science Foundation, le ministère de la Science et de la Technologie d'Israël, le projet AtLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope) et le Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Technologías.

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