La matière noire devance la matière normale lors d’une collision entre deux mégaamas de galaxies

Des astronomes ont démêlé une collision entre deux amas de galaxies massifs, dans laquelle les vastes nuages ​​de matière noire 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.

Tandis qu’elles se percutaient, la matière noire – une substance invisible qui subit 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.

Les amas de galaxies comptent parmi les plus grandes structures de l’univers, collées entre elles par la force de gravité. 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, tandis que le reste est constitué d’étoiles et de planètes. Les 85 % restants de la masse de l’amas sont de la matière noire.

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, ce qui la ralentit lors d’une collision. Ainsi, alors que la matière normale s’est enlisée, les amas de matière noire au sein de chaque amas ont continué à naviguer.

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 », explique-t-elle. Silich est une étudiante diplômée qui travaille avec Jack Sayers, professeur de recherche en physique à Caltech et chercheur principal de l’étude.

La découverte a été faite à partir de données provenant 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, de l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA, du télescope spatial Hubble de la NASA, de l’observatoire spatial Herschel et de l’observatoire Planck de l’Agence spatiale européenne, aujourd’hui retirés (dont les centres scientifiques affiliés à la NASA étaient basés à l’IPAC de Caltech), et de 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.

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 soient 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 la manière dont elles se découplent l’une de l’autre lors d’une collision d’amas de galaxies.

« 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. »

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.

« Les effets Sunyaev-Zeldovich étaient encore un outil d’observation très nouveau 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 qu’il y aurait des découvertes comme celle-ci », explique Sunil Golwala, professeur de physique et conseiller de doctorat 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 SZ 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 n’avait qu’une compréhension limitée de l’orientation des amas. Elle savait 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.

« Nous avions un phénomène complètement anormal avec des vitesses dans des directions opposées, et au début nous avons pensé que cela pouvait être dû à 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 à rayons X Chandra pour révéler la température et la localisation du gaz dans les amas ainsi que le degré de choc subi par le gaz.

« Ces collisions entre amas sont les phénomènes les plus énergétiques depuis le Big Bang », explique Silich. « Chandra mesure les températures extrêmes du gaz et nous renseigne sur l’âge de la fusion et sur la date récente de la collision entre les 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.

À l’avenir, les chercheurs espèrent que davantage d’études comme celle-ci conduiront à 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. »