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samedi 13 septembre 2014

Hubble a encore frappé !

Répartition de masse des galaxies vue par Hubble
Un amas de galaxies cartographié avec une précision inégalée
En combinant les effets de lentille gravitationnelle fort et faible et l'observation en rayons X d'un amas de galaxies, des astrophysiciens ont déterminé très précisément sa distribution de masse.

Une fois de plus, les astrophysiciens font la démonstration de la qualité des observations du télescope spatial Hubble. Dans le cadre du programme Hubble Space Telescope Frontier Fields, des effets de lentille gravitationnelle ont été observés pour cartographier la distribution de la matière dans des amas de galaxies. Mathilde Jauzac, de l’Université de Durham, et ses collègues ont ainsi établi, pour l’amas MACSJ0416, la carte de la distribution de matière la plus précise d'un amas galactique. Ils en ont aussi étudié la dynamique.
D’après la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, une grande concentration de masse – telle une étoile, une galaxie ou un amas de galaxies – déforme l’espace-temps autour d'elle et dévie ainsi les rayons lumineux provenant d’une source plus éloignée et passant à proximité. Si l'objet massif est aligné avec la source d'arrière-plan, les rayons lumineux convergent vers l’observateur, de sorte que la source paraît amplifiée ; on parle alors de lentille gravitationnelle. L'effet de lentille est dit fort lorsque la lumière est amplifiée et que plusieurs images de la source sont visibles, ou que l’image est tellement déformée que la source apparaît sous forme d'arcs lumineux. Lorsque la déviation est moins importante et l’image de la source seulement légèrement déformée, on parle d’effet de lentille gravitationnelle faible. L’intensité de l'effet dépend de la densité de masse : il est fort au cœur d’un amas de galaxies, et faible en périphérie.
Les effets de lentille graviationnelle sont utiles à plus d’un titre. Ils révèlent des objets trop peu lumineux pour être détectés par d'autres moyens, et permettent d’estimer la masse de l'objet constituant la lentille. M. Jauzac et ses collègues ont ainsi utilisé les données du télescope Hubble pour mesurer les effets de lentille créés par l’amas MACSJ0416. L’élément remarquable est le nombre élevé d’images liées à l’effet de lentille gravitationnelle fort. Les chercheurs ont ainsi recensé 194 images individuelles créées par effet de lentille fort à partir de 68 objets situés en arrière-plan. En ajoutant les observations d'effets de lentille faible en périphérie de l’amas, et les données en rayons X du télescope spatial Chandra, ils ont estimé la masse de l’amas à environ 1,15 × 1015 masses solaires, pour 3 millions d’années-lumière d'extension. Le gaz représente 8,6 × 1013 masses solaires, et les étoiles 3,1 × 1013 masses solaires. Le reste de la masse serait présente sous forme de matière noire, de nature encore inconnue.
Les astrophysiciens ont pu cartographier la répartition de la matière dans l’amas avec une précision inégalée. Cet amas a la particularité de présenter deux zones très denses. Cela confirme ce que l'on savait déjà en observant la répartition de ses galaxies  : MACSJ0416 est formé de deux amas en cours de collision. Mais l’état actuel correspond-il à un état antérieur ou postérieur à la collision ?
Les lentilles gravitationnelles faibles et les mesures en rayons X apportent de nombreuses informations. En particulier, lorsque deux amas entrent en collision frontale, la matière noire et les galaxies n’interagissent pas avec la matière de l’autre amas et continuent leur trajectoire sans ralentir. En revanche, le gaz se heurte avec celui de l’autre amas, s’échauffe en émettant des rayons X, et ralentit. Ainsi, après une collision, la matière noire est en avance sur le gaz.
Dans l’amas MACSJ0416, la situation n’est pas claire. M. Jauzac et ses collègues ont imaginé deux scénarios pour expliquer les observations. L’un correspond à une situation antérieure à la collision, dans l’autre les amas se sont déjà frôlés – échauffant une partie du gaz – puis se sont éloignés. Mais du fait de l’attraction gravitationnelle, l’amas le plus léger revient vers l’amas le plus lourd et une deuxième collision est en vue. De nouvelles données du télescope Chandra sont attendues ; elles permettront de trancher entre ces deux scénarios.

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