Amas de galaxies fossiles observé par XMM-Newton. Cliquez pour agrandir
Les galaxies commencent petites, mais croissent avec le temps à mesure qu'elles fusionnent avec d'autres galaxies. Tout ce qui reste est une grande galaxie appelée groupe fossile, qui se trouve à l'intérieur d'un halo encore plus grand de matière noire. Les astronomes sont perplexes quant à la façon dont ces groupes fossiles peuvent se former rapidement - certains ne devraient pas être en mesure de le faire pendant la durée de vie de l'Univers. De nouvelles observations de Chandra et des observatoires XMM-Newton de l'ESA ont fourni de nouveaux indices sur la façon dont ces grappes s'effondrent et se forment.
Profitant de la haute sensibilité du XMM-Newton de l'ESA et de la vision nette des observatoires spatiaux Chandra X-Ray de la NASA, les astronomes ont étudié le comportement des amas massifs de galaxies fossiles, essayant de découvrir comment ils trouvent le temps de se former.
De nombreuses galaxies résident dans des groupes de galaxies, où elles font l'expérience de rencontres rapprochées avec leurs voisins et interagissent gravitationnellement avec la matière noire - masse qui imprègne tout l'espace intergalactique mais n'est pas directement visible car elle n'émet pas de rayonnement.
Ces interactions font que les grandes galaxies spiralent lentement vers le centre du groupe, où elles peuvent fusionner pour former une seule galaxie centrale géante, qui engloutit progressivement tous ses voisins.
Si ce processus se termine et qu'aucune nouvelle galaxie ne tombe dans le groupe, le résultat est un objet surnommé un `` groupe fossile '', dans lequel presque toutes les étoiles sont collectées dans une seule galaxie géante, qui se trouve au centre d'une halo de matière noire de la taille d'un groupe. La présence de ce halo peut être déduite de la présence d'un gaz chaud extensif, qui remplit les puits de potentiel gravitationnel de nombreux groupes et émet des rayons X.
Un groupe d'astronomes internationaux a étudié en détail les caractéristiques physiques du groupe fossile connu le plus massif et le plus chaud, dans le but principal de résoudre un casse-tête et de comprendre la formation de fossiles massifs. En fait, selon des modèles théoriques simples, ils n'auraient tout simplement pas pu se former dans le temps dont ils disposaient!
Le groupe fossile étudié, appelé «RX J1416.4 + 2315», est dominé par une seule galaxie elliptique située à un mille et demi millions d'années-lumière de nous, et elle est 500 000 millions de fois plus lumineuse que le Soleil.
Les observations aux rayons X XMM-Newton et Chandra, combinées à des analyses optiques et infrarouges, ont révélé que le groupe se trouve dans un halo de gaz chaud s'étendant sur trois millions d'années lumière et chauffé à une température de 50 millions de degrés, principalement en raison du résultat de l'effondrement gravitationnel.
Une température aussi élevée, environ le double des valeurs précédemment estimées, est généralement caractéristique des amas de galaxies. Une autre caractéristique intéressante de l'ensemble du système de cluster est sa grande masse, atteignant plus de 300 billions de masses solaires. Seulement environ 2% sous forme d'étoiles dans les galaxies et 15% sous forme de gaz chaud émettant des rayons X. Le principal contributeur à la masse du système est la matière noire invisible, qui lie gravitationnellement les autres composants.
Selon les calculs, un amas fossile aussi massif que RX J1416.4 + 2315 n'aurait pas eu le temps de se former pendant tout l'âge de l'univers. Le processus clé dans la formation de ces groupes fossiles est le processus connu sous le nom de «friction dynamique», par lequel une grande galaxie perd son énergie orbitale au profit de la matière noire environnante. Ce processus est moins efficace lorsque les galaxies se déplacent plus rapidement, ce qu'elles font dans des "amas" massifs de galaxies.
Ceci, en principe, fixe une limite supérieure à la taille et à la masse des groupes fossiles. Les limites exactes sont cependant encore inconnues car la géométrie et la distribution de masse des groupes peuvent différer de celles supposées dans les modèles théoriques simples.
«Des modèles simples pour décrire le frottement dynamique supposent que les galaxies qui fusionnent se déplacent le long d'orbites circulaires autour du centre de la masse de l'amas», explique Habib Khosroshahi de l'Université de Birmingham (Royaume-Uni), premier auteur des résultats. "Au lieu de cela, si nous supposons que les galaxies tombent vers le centre de l'amas en développement de manière asymétrique, comme le long d'un filament, le frottement dynamique et donc le processus de formation de l'amas peuvent se produire dans une échelle de temps plus courte", poursuit-il. Une telle hypothèse est soutenue par l'émission de rayons X très allongée que nous avons observée dans RX J1416.4 + 2315, pour soutenir l'idée d'un effondrement le long d'un filament dominant. »
La luminosité optique de la galaxie centrale dominante dans ce fossile est similaire à celle des galaxies les plus brillantes en grands amas (appelées «BCG»). Selon les astronomes, cela implique que de telles galaxies pourraient avoir leur origine dans des groupes fossiles autour desquels l'amas se constitue plus tard. Cela offre un mécanisme alternatif pour la formation des BCG par rapport aux scénarios existants dans lesquels les BCG se forment au sein des clusters pendant ou après l'effondrement des clusters.
«L'étude de groupes fossiles massifs tels que le RX J1416.4 + 2315 est importante pour tester notre compréhension de la formation de la structure dans l'univers», ajoute Khosroshahi. «Des simulations cosmologiques sont en cours qui tentent de reproduire les propriétés que nous observons, afin de comprendre comment ces systèmes extrêmes se développent», conclut-il.
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESA
