Collision Cosmique dans le Bullet Group

Collision Cosmique dans le Bullet Group
Deux astronomes français, l'un travaillant à l'IRAP (OMP, Université Paul Sabatier de
Toulouse et CNRS) et l'autre au LAM (Institut Pythéas, Université d'Aix-Marseille et
CNRS), viennent de contribuer à la cartographie de la distribution de galaxies, de gaz
chaud et de matière noire au sein du Bullet Group. Ce travail fait l'objet d'un article
parut le 6 juin 2014, au sein de la revue MNRAS.
Les galaxies ne
sont pas aussi
isolées qu'il y
paraît ; à
l'échelle
cosmique,
elles se
rassemblent
en amas avec
la matière
noire et le gaz
chaud. Sur
cette image
composite
constituée à
partir des
données issues
de plusieurs
télescopes
dont le
télescope
XMM-Newton
de l'ESA
figure, sous
l'aspect d'une
tâche colorée, un ensemble de galaxies baptisé Bullet Group. Ses constituants se distinguent
nettement les uns des autres : ainsi le gaz chaud, de couleur rouge, et la matière noire, de
couleur bleue. Cette distribution particulière résulte d'un processus de fusion s'étant produit
dans le passé [1].
En dépit des grandes distances qui les séparent, les galaxies sont rarement isolées dans
l'espace. Elles constituent bien souvent de grands ensembles baptisés groupes et amas de
galaxies. De taille modeste, les groupes sont composés d'une cinquantaine de galaxies liées
entre elles par la gravité. De dimensions plus élevées, les amas rassemblent quant à eux des
centaines, voire de milliers de galaxies. Ces structures renferment également de vastes
quantités de gaz chaud qui remplit l'espace entre les galaxies et brille intensément dans les
régions X du spectre électromagnétique. Enfin, la matière noire, qui n'émet aucune lumière
mais exerce des effets gravitationnels sur les autres objets, domine largement le budget de
masse au sein de ces groupes et amas.
Cette matière noire invisible influe sur la distribution des galaxies et du gaz chaud au sein d'un
groupe ou amas ; ses effets gravitationnels jouent un rôle prépondérant dans la création des
structures cosmiques à grande échelle. Bien souvent, les galaxies et le gaz chaud se situent
dans des poches d'univers caractérisées par les plus grandes densités de matière noire.
Toutefois, lorsque des groupes ou des amas de galaxies entrent en collision, leurs constituants
respectifs ne se mélangent pas parfaitement. Ces chocs cosmiques donnent lieu à de curieuses
configurations : ainsi, le gaz chaud, constitué de la matière baryonique ordinaire d'un groupe
ou d'un amas, se trouve éloigné des galaxies et de la matière noire.

Cette image de l'objet SL2S J08544-0121 baptisé Bullet Group laisse à penser que la formation
de ce groupe résulte d'une collision de ce type. Le gaz diffus qu'il contient est si chaud qu'il
émet un intense rayonnement X détecté par l'Observatoire XMM-Newton de l'ESA, figuré ici en
rouge. Le gaz chaud occupe une bulle de vastes dimensions, tandis que la matière noire
(figurée en bleu) et les galaxies semblent être divisées en deux parties distinctes.
Les astronomes pensent que la tâche située à droite de l'image s'est comportée à l'image
d'une « balle », se déplaçant de l'extrémité inférieure gauche à l'extrémité supérieure droite de
l'image. Au cours de ce processus, elle est entrée en collision avec l'autre sous-structure du
groupe puis l'a traversée de part en part.
Les collisions de groupes et d'amas de galaxies se traduisent par le mélange de leurs contenus
respectifs. Toutefois, chaque constituant se comporte différemment : ainsi, bien que les
galaxies et la matière noire issues de chaque groupe ou amas aient pris part à la formation du
Bullet Group, elles n'ont pratiquement pas été affectées par cet événement et sont restées
confinées au sein de leurs sous-structures originales, comme en témoigne cette image. Au
contraire, les particules de gaz chaud des deux groupes sont entrées en interaction
électromagnétique les unes avec les autres, ce qui aboutit à la formation d'un vaste nuage de
gaz chaud – de couleur rouge sur cette image.
Cette séparation du gaz, des galaxies et de la matière noire a été observéee dans plusieurs
amas de galaxies massifs, au premier rang desquels figure le célèbre Bullet Cluster. Toutefois,
elle n'a encore jamais été observée au sein d'objets de plus faible masse tels que des groupes
de galaxies. Le Bullet Group constitue ainsi la structure la plus petite au sein de laquelle cet
effet a été observé.
Bien qu'elle ne soit pas visible à l'œil nu – ni au travers du moindre télescope, les astronomes
ont été en mesure de dresser les contours de la matière noire qui emplit le Bullet Group. Pour
ce faire, ils ont mesuré son impact gravitationnel sur la lumière en provenance de galaxies
lointaines, situées derrière le groupe. Un objet massif tel qu'un groupe de galaxies déforme
localement l'espace-temps, lui assignant une courbure particulière. Lorsque la lumière issue de
galaxies plus lointaines passe à proximité de ce groupe, elle épouse les contours de cet
environnement. S'ensuivent l'apparition de curieux effets optiques. Cette distorsion se nomme
effet de lentille gravitationnelle.
Si l'objet lentille est très massif et constitue, depuis la Terre, un alignement avec la source de
lumière, cet effet devient saisissant : les galaxies situées en arrière plan semblent se distribuer
en anneaux ou en arcs de cercle sur le fond du ciel ; parfois même, des images multiples d'une
même galaxie se forment.
Un tel effet se manifeste à droite du centre de l'image : une galaxie sphérique et brillante du
Bullet Group est entourée de curieux arcs de lumière – il s'agit là de l'image déformée d'une
autre galaxie située en arrière plan.
L'étude des constituants de ces naufragés cosmiques permet aux astronomes de mieux définir
les propriétés de la matière noire. En particulier, la scission entre matière noire et gaz chaud
permet de contraindre la présence (ou l’absence) d’interaction entre la matière noire et la
matière ordinaire, et ainsi d’en savoir un peu plus sur cette mystérieuse composante. La
possibilité d'observer cet effet au sein d'objets de plus faibles dimensions tel que le Bullet
Group, en nombre nettement supérieur à celui des amas de galaxies plus massifs, ouvre de
nouvelles perspectives d'étude du rôle de la matière noire à l'échelle de l'univers tout entier.
Note
[1] Cette image composite est constituée d'une image acquise par l'observatoire XMM-Newton
de l'ESA dans le domaine X (le gaz chaud en rouge), d'une image optique (RVB) acquise par le
Télescope Canada-France-Hawai (CFHT), et en bleu des contours de la matière noire, issue
d’une analyse à partir des données provenant du CFHT, du Télescope Spatial Hubble du

consortium NASA/ESA et de l'Observatoire W.M. Keck. En avant-plan surgissent de brillantes
étoiles qui peuplent notre galaxie.
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Ressources Complémentaires
 Article : Gastaldello et al., 2014, MNRAS – Limousin et al., 2010, A&A
 ESA Press Release / Communiqué de Presse de l'ESA : http://sci.esa.int/xmm-
newton/54116-cosmic-collision-in-the-bullet-group/
Contacts :
Rémi Cabanac, IRAP-OMP : [email protected]
Marceau Limousin, LAM – Pythéas : [e-mail]