Cette image aux rayons X du gaz chaud dans l'amas de galaxies de Persée a été réalisée à partir de 16 jours d'observations de Chandra. Les chercheurs ont ensuite filtré les données de manière à éclaircir le contraste des bords afin de rendre les détails subtils plus évidents. Un ovale met en évidence l'emplacement d'une énorme vague qui roule dans le gaz. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA/Stephen Walker et al.
En combinant les données de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA avec des observations radio et des simulations informatiques, une équipe internationale de scientifiques a découvert une vaste vague de gaz chaud dans l'amas de galaxies Persée voisin. Couvrant quelque 200, 000 années-lumière, la vague est environ deux fois la taille de notre propre galaxie de la Voie Lactée.
Les chercheurs disent que la vague s'est formée il y a des milliards d'années, après qu'un petit amas de galaxies ait effleuré Persée et fait clapoter sa vaste réserve de gaz autour d'un énorme volume d'espace.
"Persée est l'un des amas proches les plus massifs et le plus brillant aux rayons X, donc les données Chandra nous fournissent des détails sans précédent, " a déclaré le scientifique principal Stephen Walker au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "La vague que nous avons identifiée est associée au survol d'un amas plus petit, ce qui montre que l'activité de fusion qui a produit ces structures géantes est toujours en cours."
Un article décrivant les résultats paraît dans le numéro de juin 2017 de la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .
Les amas de galaxies sont les plus grandes structures liées par la gravité dans l'univers aujourd'hui. Environ 11 millions d'années-lumière de diamètre et situé à environ 240 millions d'années-lumière, l'amas de galaxies de Persée doit son nom à sa constellation hôte. Comme tous les amas de galaxies, la plus grande partie de sa matière observable prend la forme d'un gaz envahissant d'une moyenne de dizaines de millions de degrés, si chaud qu'il ne brille qu'aux rayons X.
Les observations de Chandra ont révélé une variété de structures dans ce gaz, des vastes bulles soufflées par le trou noir supermassif dans la galaxie centrale de l'amas, NGC 1275, à une caractéristique concave énigmatique connue sous le nom de « baie ».
La forme concave de la baie n'a pas pu se former à travers les bulles lancées par le trou noir. Les observations radio utilisant le Karl G. Jansky Very Large Array dans le centre du Nouveau-Mexique montrent que la structure de la baie ne produit aucune émission, le contraire de ce à quoi les scientifiques s'attendraient pour les caractéristiques associées à l'activité des trous noirs. En outre, les modèles standard de ballottement de gaz produisaient généralement des structures qui ont un arc dans la mauvaise direction.
Walker et ses collègues se sont tournés vers les observations Chandra existantes de l'amas de Persée pour approfondir l'étude de la baie. Ils ont combiné un total de 10,4 jours de données à haute résolution avec 5,8 jours d'observations à grand champ à des énergies comprises entre 700 et 7, 000 électrons-volts. En comparaison, la lumière visible a des énergies comprises entre environ deux et trois électrons-volts. Les scientifiques ont ensuite filtré les données Chandra pour mettre en évidence les bords des structures et révéler des détails subtils.
Prochain, ils ont comparé l'image de Persée à bords améliorés à des simulations informatiques de fusion d'amas de galaxies développées par John ZuHone, astrophysicien au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics à Cambridge, Massachusetts. Les simulations ont été exécutées sur le supercalculateur Pléiades exploité par la division Advanced Supercomputing de la NASA au centre de recherche Ames dans la Silicon Valley, Californie. Bien qu'il n'ait pas participé à cette étude, ZuHone a rassemblé ses simulations dans un catalogue en ligne pour aider les astronomes à étudier les amas de galaxies.
"Les fusions d'amas de galaxies représentent la dernière étape de la formation des structures dans le cosmos, " a déclaré ZuHone. " Les simulations hydrodynamiques des clusters en fusion nous permettent de produire des caractéristiques dans les gaz chauds et d'ajuster les paramètres physiques, comme le champ magnétique. Ensuite, nous pouvons essayer de faire correspondre les caractéristiques détaillées des structures que nous observons aux rayons X. »
Cette animation se dissout entre deux vues différentes de gaz chauds dans l'amas de galaxies de Persée. La première est la meilleure vue de Chandra sur les gaz chauds dans la région centrale de l'amas de Persée, où rouge, le vert et le bleu indiquent des rayons X d'énergie inférieure à supérieure, respectivement. L'image plus grande intègre des données supplémentaires sur un champ de vision plus large. Il a été spécialement traité pour améliorer le contraste des bords, révélant des structures subtiles dans le gaz. La vague est marquée par la courbe ascendante près du bas, centré vers 7 heures. Crédit :NASA/CXC/SAO/E.Bulbul, et al. et le Goddard Space Flight Center de la NASA/Stephen Walker et al.
Une simulation a semblé expliquer la formation de la baie. Dedans, le gaz dans un grand amas semblable à Persée s'est installé en deux composants, une région centrale "froide" avec des températures d'environ 54 millions de degrés Fahrenheit (30 millions de degrés Celsius) et une zone environnante où le gaz est trois fois plus chaud. Ensuite, un petit amas de galaxies contenant environ mille fois la masse de la Voie lactée longe le plus grand amas, manquant son centre d'environ 650, 000 années-lumière.
Le survol crée une perturbation gravitationnelle qui fait monter le gaz comme de la crème mélangée au café, créant une spirale en expansion de gaz froid. Après environ 2,5 milliards d'années, quand le gaz a augmenté de près de 500, 000 années-lumière du centre, de vastes vagues se forment et roulent à sa périphérie pendant des centaines de millions d'années avant de se dissiper.
Ces ondes sont des versions géantes des ondes de Kelvin-Helmholtz, qui apparaissent partout où il y a une différence de vitesse à travers l'interface de deux fluides, comme le vent soufflant sur l'eau. Ils peuvent être trouvés dans l'océan, dans les formations nuageuses sur Terre et sur d'autres planètes, dans le plasma près de la Terre, et même au soleil.
"Nous pensons que la caractéristique de la baie que nous voyons dans Persée fait partie d'une vague Kelvin-Helmholtz, peut-être le plus grand encore identifié, qui s'est formé à peu près de la même manière que le montre la simulation, " a déclaré Walker. " Nous avons également identifié des caractéristiques similaires dans deux autres amas de galaxies, Centaure et Abell 1795."
Les chercheurs ont également découvert que la taille des ondes correspond à la force du champ magnétique de l'amas. Si c'est trop faible, les vagues atteignent des tailles beaucoup plus grandes que celles observées. Si trop fort, ils ne se forment pas du tout. Cette étude a permis aux astronomes de sonder le champ magnétique moyen dans tout le volume de ces amas, une mesure impossible à faire par tout autre moyen.
