Une collaboration internationale, conduite par Doris Neumann du Service d'Astrophysique du Commissariat à l'Energie Atomique (CEA/DAPNIA), vient d'étudier avec l'observatoire spatial XMM-Newton la structure et la dynamique du célèbre amas de Coma. Les chercheurs ont en particulier découvert des irrégularités dans la distribution du gaz chaud détectées grâce aux rayons X. Celles-ci indiquent que l'amas est en train d'absorber des groupes de galaxies en provenance du "grand mur" - une structure filamentaire reliant Coma à un autre amas de galaxies. C'est là une confirmation par les observations d'une prédiction théorique selon laquelle les galaxies qui tombent dans les amas le font dans des directions privilégiées.
Amas de Coma. La distribution du gaz chaud X est montré en fausses couleurs. Le gaz le plus dense (en blanc) se concentre au centre de l'amas principal. On note en bas à droite une seconde composante correspondant à un groupe de galaxies en train de tomber sur Coma. Cette sous-structure est encore plus visible lorsque l'amas principal est soustrait à la carte X grâce à un modèle typique d'amas en équilibre. Les résidus ainsi obtenus sont représentés avec les contours rouges. (Crédit D. Neumann/CEA/ESA)
Les amas de galaxies
Les amas de galaxies sont les objets les plus grands de notre univers ayant atteint un état d'équilibre. Leur taille varie de quelques centaines de mille à quelques millions d'années lumière. Les amas, qui contiennent souvent des centaines, voire des milliers de galaxies, ont une masse totale qui excède souvent 1014 fois la masse du soleil. Ces structures sont essentiellement constituées de matière noire (entre 70% et 80% de la masse totale), qui est uniquement détectable à travers sa force gravitationnelle. Les amas de galaxies sont donc des objets idéaux pour étudier cette forme de matière qu'on connaît jusqu'à présent assez mal.
Une autre composante des amas de galaxies est un gaz chaud diffus, situé entre les galaxies et qui est détectable jusqu'au bord des amas. Ce gaz constitue environ 20% de la masse totale de l'amas alors que la contribution des galaxies elles-même tourne autour de seulement 5%. Compte tenu du potentiel gravitationnel élevé, ce gaz est chauffé à des températures entre 107-108 Kelvin. A ces températures l'émission se fait essentiellement par le rayonnement de freinage des électrons thermiques, observable dans le domaine des rayons X avec des observatoires spatiaux comme "XMM-Newton" ou "Chandra".
Quelques amas, mais pas tous, présentent néanmoins des morphologies complexes dues à la fusion en cours d'un amas en général plus petit avec l'amas principal. Ce phénomène de fusion est en fait le processus de base dans le modèle standard de formation des grandes structures.
L'amas de galaxies Abell 1656 plus connu sous le nom "Coma" (car il est situé dans la constellation de la Chevelure de Berenice, Coma en latin) est un exemple de ce type d'amas en fusion. Dans un travail récent, Doris Neumann du Service d'Astrophysique en collaboration avec David Lumb (ESTEC, Pays-Bas), Gabriel Pratt (SAp) et Ulrich Briel (MPE, Allemagne) ont pu étudier l'état dynamique de cet amas grâce au satellite XMM .
Des sous-structures intrigantes
Comme le montre l'image obtenue par XMM-Newton, la carte du gaz chaud dans Coma est bien plus complexe que celles jusqu' alors disponibles, montrant en plus de la composante principale centrée sur la galaxie NGC 4874, plusieurs sous-structures. Outre le système lié à NGC4839, déjà connu, un autre résidu apparaît (la structure Ouest), très probablement associé au gaz d'un groupe de galaxies qui tombe depuis la même direction que NGC4839. Celle-ci est aussi la direction du "grand mur", un alignement de galaxies reliant Coma avec un autre amas de galaxies, Abell1367. Or les chercheurs ont noté que, comme il était attendu, les régions d'interaction sont plus chaudes. Cette augmentation de température est probablement liée à la fusion des sous-structures avec l'amas principal soit par l'effet de compression soit par la création d'une onde de choc, créée par le gaz tombant sur l'amas avec une vitesse plus grande que celle de la vitesse du son. Ces observations confirment les prédictions théoriques d'accrétion des groupes préférentiellement le long des structures filamentaires de la toile cosmique.
Enfin, la carte des résidus montre une dernière structure filamentaire ("Structure est"), visible sur la gauche des deux galaxies principales. Une étude plus détaillée indique que cette structure, plus froide que le reste de l'amas, s'est formée lors de l'épluchage du gaz de deux galaxies, probablement associées à un petit groupe tombant sur l'amas. Tous ces détails précis étaient jusqu'ici insoupçonnés. Les observations de Coma montrent bien les capacités extraordinaires du satellite XMM-Newton pour étudier en détail les amas de galaxies.
Publications
"The dynamical state of the Coma cluster with XMM-Newton"
D.M. Neumann, D.H. Lumb, G.W. Pratt & U.G. Briel (2003)
article publié dans le numéro de Mars 2003 du journal Astronomy & Astrophysics vol 400, p.811
Version electronique disponible sur astro-ph/0212432
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