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26.10.17 - En observant des amas massifs de galaxies, des astronomes de l'EPFL ont remarqué que les galaxies les plus brillantes à l'intérieur de ceux-ci «oscillent» - un phénomène inattendu dans les modèles courants. La découverte, publiée dans MNRAS, s'ajoute aux preuves existantes de matière noire au-delà du Modèle cosmologique standard (ACDM).

Image: L'amas de galaxies Abell S1063 a été observé par le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA dans le cadre de programme Frontier Fields. L'énorme masse de l'amas agit comme une loupe cosmique et agrandit des galaxies encore plus distantes, ce qui les rend suffisamment lumineuses pour que Hubble puisse les voir. Crédit: NASA, ESA et J. Lotz (STScl).

Les amas de galaxies sont les plus grandes structures connues de l'Univers, qui contiennent des milliers de galaxies et de gaz chaud. Plus important toutefois, ils contiennent la mystérieuse matière noire, qui constitue 27% de l'ensemble de la matière et de l'énergie. Les modèles courants de la matière noire prédisent que les amas galactiques ont des noyaux très denses, et que ces noyaux contiennent une galaxie très massive qui ne quitte jamais le centre de l'amas.

Mais après avoir étudié dix amas galactiques, David Harvey, du Laboratoire d'astrophysique de l'EPFL, et ses collègues en France et au Royaume Uni ont découvert que la densité est largement inférieure à ce que l'on pensait, et que la galaxie située au centre, en réalité, se déplace.

Chaque amas de galaxies contient une galaxie plus lumineuse que les autres, justement nommée «galaxie la plus lumineuse de l'amas», BCG en anglais. Des indices récents obtenus à partir de simulations de matière noire exotique, non-standard, montrent que les BCG oscillent longtemps après que l'amas galactique s'est relaxé. C'est une oscillation résiduelle provoquée par la fusion massive d'amas galactiques.

Les chercheurs ont comparé leurs observations avec les prédictions des simulations cosmologiques hydro-dynamiques de la série BAHAMAS, pour conclure que les deux ne concordaient pas. Selon le Modèle standard de la matière noire (nommée «matière noire froide»), cette oscillation n'existe pas, parce que l'énorme densité de la matière noire la maintien fermement confinée au centre de l'amas galactique. Donc, ce décalage suggère l'existence d'une physique encore inconnue et qui n'a pas été prise en compte.

Les amas galactiques que les astronomes ont étudiés agissent également comme de puissantes lentilles gravitationnelles: ils sont si massifs qu'ils déforment l'espace-temps au point d'altérer la lumière qui les traverse, comme une lentille. Il en résulte que l'on peut les utiliser pour dresser une carte de la matière noire, puis déterminer où se trouve le centre, et ensuite observer comment les BCG oscillent autour de ce centre.

«Nous avons découvert que les BCG «pataugent» au bas des halos», dit David Harvey. «Cela indique que, au lieu d'une région dense au centre de l'amas de galaxies, il existe une densité centrale beaucoup moins profonde – un signe frappant de l'existence de formes exotiques de matière noire, exactement au centre des amas galactiques». L'oscillation montre également que les BCG ne peuvent pas coïncider avec le halo de l'amas, ce qui signifie que certains modèles d'amas galactiques doivent être ajustés.

Les scientifiques vont étendre leur recherche à de plus grandes études d'amas galactiques telle que Euclid. Ils espèrent ainsi pouvoir confirmer leurs découvertes, mais aussi déterminer si l'oscillation des BCG trouve son origine dans la physique fondamentale, ou dans un phénomène astronomique inédit.

Institutions ayant contribué

  • CNRS (Aix-Marseille Université)
  • Liverpool John Moores University

Financement

  • Fonds National Suisse
  • Merac Foundation

Référence

David Harvey, F. Courbin, J. P. Kneib, Ian G. McCarthy. A detection of wobbling Brightest Cluster Galaxies within massive galaxy clusters. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 26 October 2017. 

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