Département d'Ingénierie des Systèmes

Les amas de galaxies sont les plus grandes structures de l'Univers. Ils sont constitués de centaines de galaxies liées ensemble par leur propre attraction gravitationnelle. Les galaxies ne constituent que 5 % de la masse totale de l'amas. La matière noire, d'origine inconnue constitue 70 à 80% de l'amas. Le reste de la matière est un gaz chaud, formant un plasma, dont la température atteint 10 à 100 millions de degrés. Ce plasma est un fort émetteur de rayons X. L'analyse spectrale de ces rayons X renseigne sur la température de l'amas et sur sa dynamique.

Dans notre Univers, ces amas sont les objets les plus jeunes ayant atteint un équilibre gravitationnel. Cette jeunesse, qui porte de nombreuses informations sur leur formation et la formation des grandes structures de l'Univers, en fait un objet d'observation privilégié. Leur étude nous renseigne sur la distribution des grumeaux de matière à l'origine des galaxies et nous donne des indications précieuses sur l'évolution de l'Univers.

XMM-Newton a observé l'amas Coma, grand amas situé dans notre " voisinage ", à 400 millions d'années lumière. Son diamètre atteint 20 millions d'années lumière. Sa masse représente 2 000 000 milliards de fois la masse de notre soleil ou 20 000 fois la masse de la Voie Lactée. Coma est un grand amas qui couvre plus d'un degré d'angle du ciel. XMM-Newton qui possède un champ de vue de 30 minutes d'angle, a réalisé une image " mosaïque " de Coma

permettent de déterminer, avec une grande précision, les mouvements de matière (gaz, galaxies, groupes de galaxies) qui animent cet amas en raison des forces gravitationnelles.

Les rayons X émis par un objet renseignent sur sa température. 
En même temps que l'image en rayons X, la caméra Epic enregistre le spectre des photons X

En utilisant des modèles mathématiques, il est possible, à partir du spectre moyen d'au moins 3 000 photons, de construire la carte température du centre de Coma.. Sur cette carte, les zones chaudes apparaissent en couleurs claires et les zones froides en couleurs foncées, tandis que les courbes vertes traduisent l'intensité des rayons X enregistrés 

Cette image révèle de fortes variations de températures au sein de l'amas Coma. Cela signifie que Coma est perturbé, hors équilibre, et qu'il est le siège de vastes mouvements de matière. Pour mieux comprendre ces phénomènes gravitationnels, à partir d'autres amas connus " au repos ", sans perturbations visibles, on a reconstruit mathématiquement le profil théorique moyen de Coma tel qu'il serait si il était au repos.. En soustrayant la carte Coma d'émission X obtenue à partir des observations d'XMM-Newton de la carte théorique de Coma , on obtient une carte des régions de Coma où la matière est en mouvement (lignes vertes).

Cette nouvelle carte révèle plusieurs zones intenses d'émission de rayons X. 
Au centre se trouve le coeur de Coma. En bas à droite, une seconde zone d'émission intense de rayons X est à haute température. C'est une grande structure filamentaire attirée par Coma. C'est la première fois qu'un filament de cette taille est détecté. Ce filament, non visible sur la carte modélisée, est orienté à son autre extrémité en direction d'un autre amas de galaxies. Cela confirme l'hypothèse selon laquelle les amas se forment au croisement des filaments. La forte température du filament, révélée par la zone claire en bas à droite de la carte modélisée, s'explique par l'échauffement de la matière du filament qui se comprime en tombant sur l'amas.

En bas à gauche de la carte modélisée, on remarque une troisième zone intense d'émission de rayons X qui est froide. Il s'agit d'une petite structure de galaxies plus froides que le gaz de l'amas. Comme le filament, ce petit groupe de galaxies est attiré par l'amas, mais sa taille étant plus petite, il tombe moins vite sur le gaz de l'amas et s'échauffe donc moins.

Chute d'une galaxie de Coma.

Cette galaxie, comme une comète s'approchant du soleil, possède une chevelure : elle perd une partie de sa matière lors de sa chute vers l'amas. La carte de la température de cette région du ciel montre que la chevelure de NGC4839 est plus froide que les gaz de l'amas. Cette constatation est en très bon accord avec la simulation de l'attraction d'une galaxie sur un amas de galaxies où la " queue " froide de la galaxie tombant sur l'amas apparaît nettement.

La galaxie tombe plus vite vers Coma que le gaz chaud du filament car elle est plus dense et donc moins " freinée " par le gaz de l'amas. En étudiant ce décalage entre le gaz chaud et la galaxie, la détermination plus précise de la distribution du gaz au sein de l'amas sera possible.

Ces premières données obtenues par XMM montrent une grande cohérence spectrale et spatiale. Cette qualité des observations permettra de déterminer précisément l'état dynamique d'autres amas de galaxies. Cette observation de l'état dynamique nous éclairera sur la formation des grandes structures de l'univers.

"XMM- Newton Observation of the Coma Galaxy Cluster: The temperature structure in the central region"
   M. Arnaud (1), N. Aghanim (2), R. Gastaud (3), D.M. Neumann (1), D. Lumb (4), U. Briel (5), B. Altieri (6), S. Ghizzardi (7), J. Mittaz (8), T.P. Sasseen (9), W.T. Vestrand (10) 
Astronomy & Astrophysics, special XMM Issue (Janvier 2001) astro-ph/0011086

"A Mosaic of the Coma Cluster of Galaxies with XMM-Newton"
  Ulrich G. Briel, J. Patrick Henry, David H. Lumb, Monique Arnaud, Doris Neumann, Nabila Aghanim, Rene Gastaud, Jonathan P. D. Mittaz, Timothy P. Sasseen, W. Tom Vestrand
Astronomy & Astrophysics, special XMM Issue (Janvier 2001) astro-ph/0011323

"The NGC4839 group falling into the Coma cluster observed by XMM-Newton"
 D.M. Neumann, M. Arnaud, R. Gastaud (CEA/Saclay, France), N. Aghanim (IAS/Orsay, France), D. Lumb
 (ESA/ESTEC, the Netherlands), U.G. Briel (MPE Garching, Germany), W.T. Vestrand (LANL/Los Alamos, USA),
 G.C. Stewart (Leicester University, UK), S. Molendi (IFC/CNR Milano, Italy), J.P.D. Mittaz (Mullard Space Science Laboratory, UK)
Astronomy & Astrophysics, special XMM Issue (Janvier 2001) astro-ph/0010435