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    Première observation de clapotis de gaz chaud dans un amas de galaxies

    Cette image montre l'amas de galaxies Persée - l'un des objets connus les plus massifs de l'Univers - en rayons X et en lumière optique, vu par la caméra européenne d'imagerie photonique (EPIC) de XMM-Newton et le Digitzed Sky Survey II, respectivement. En utilisant XMM-Newton pour étudier Persée, les astronomes ont repéré les premiers signes de ce gaz chaud éclaboussant et ballottant – un comportement qui, alors que prédit, n'avait jamais été vu auparavant. Crédit :ESA/XMM-Newton/DSS-II/J. Sanders et al. 2019

    L'observatoire à rayons X XMM-Newton de l'ESA a espionné des gaz chauds se balançant dans un amas de galaxies, un comportement jamais vu auparavant qui pourrait être provoqué par des événements de fusion turbulents.

    Les amas de galaxies sont les plus grands systèmes de l'univers liés entre eux par la gravité. Ils contiennent des centaines à des milliers de galaxies et de grandes quantités de gaz chaud appelé plasma, qui atteint des températures d'environ 50 millions de degrés et brille de mille feux aux rayons X.

    On sait très peu de choses sur la façon dont ce plasma se déplace, mais explorer ses mouvements peut être la clé pour comprendre comment les amas de galaxies se forment, évoluer et se comporter.

    "Nous en avons sélectionné deux à proximité, massif, amas de galaxies brillants et bien observés, Persée et Coma, et cartographié la façon dont leur plasma se déplaçait, s'il se dirigeait vers nous ou s'éloignait de nous, sa vitesse, et ainsi de suite — pour la première fois, " dit Jeremy Sanders du Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics à Garching, Allemagne, et auteur principal de la nouvelle étude.

    "Nous avons fait cela sur de grandes régions du ciel :une zone à peu près de la taille de deux pleines lunes pour Persée, et quatre pour Coma. Nous avions vraiment besoin de XMM-Newton pour cela, car il serait extrêmement difficile de couvrir des zones aussi vastes avec n'importe quel autre vaisseau spatial."

    Jeremy et ses collègues ont trouvé des signes directs d'écoulement de plasma, éclaboussant et ballottant dans l'amas de galaxies de Persée, l'un des objets connus les plus massifs de l'univers, et l'amas le plus brillant du ciel en termes de rayons X. Bien que ce type de mouvement ait été prédit théoriquement, cela n'avait jamais été vu auparavant dans le cosmos.

    Vue XMM-Newton des mouvements de gaz chauds dans l'amas de galaxies de Persée. Crédit :ESA/XMM-Newton/J. Sanders et al. 2019

    En examinant des simulations de la façon dont le plasma s'est déplacé au sein de l'amas, les chercheurs ont ensuite exploré la cause du ballottement. Ils ont découvert que cela était probablement dû à des sous-amas de galaxies plus petits entrant en collision et fusionnant avec l'amas principal lui-même. Ces événements sont suffisamment énergiques pour perturber le champ gravitationnel de Persée et déclencher un mouvement de ballottement qui durera plusieurs millions d'années avant de s'installer.

    Contrairement à Persée, qui se caractérise par un cluster principal et plusieurs sous-structures plus petites, l'amas de Coma ne contenait pas de plasma clapotant, et semble plutôt être un cluster massif composé de deux sous-clusters majeurs qui fusionnent lentement.

    "Coma contient deux galaxies centrales massives plutôt que le monstre unique habituel d'un amas, et différentes régions semblent contenir du matériel qui se déplace différemment, " dit Jeremy. "Cela indique qu'il existe plusieurs flux de matériel au sein du cluster Coma qui ne se sont pas encore réunis pour former un seul 'blob' cohérent, comme on le voit avec Persée."

    Cette découverte a été rendue possible grâce à une nouvelle technique d'étalonnage appliquée à la caméra européenne d'imagerie photonique (EPIC) de XMM-Newton. La méthode ingénieuse, qui impliquait l'extraction de deux décennies de données EPIC archivées, amélioré la précision des mesures de vitesse de la caméra par un facteur de plus de 3,5, élever les capacités de XMM-Newton à un nouveau niveau.

    Simulation de ballottement de gaz dans l'amas de galaxies de Persée. Crédit :J. Zuhone, Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian

    "La caméra EPIC a un signal de fond instrumental - les soi-disant" lignes fluorescentes "qui sont toujours présentes dans nos données, et peuvent parfois être ennuyeux car ils ne correspondent généralement pas à ce que nous recherchons, " ajoute le co-auteur Ciro Pinto, chercheur ESA au Centre européen de recherche et de technologie spatiales à Noordwijk, Les Pays-Bas, qui a récemment déménagé à l'Institut national italien d'astrophysique.

    "Nous avons décidé d'utiliser ces lignes, qui sont une caractéristique constante, comparer et aligner les données EPIC des 20 dernières années pour mieux déterminer le comportement de la caméra, et ensuite utilisé ceci pour corriger toute variation instrumentale ou effet."

    Cette technique a permis de cartographier plus précisément le gaz dans les clusters. Jérémy, Ciro et ses collègues ont utilisé les lignes de fond pour reconnaître et supprimer les variations individuelles entre les observations, puis éliminé tous les effets instrumentaux plus subtils identifiés et signalés par leurs 20 années d'exploration de données EPIC.

    EPIC comprend trois caméras CCD conçues pour capturer à la fois les rayons X à basse et haute énergie, et fait partie d'un trio d'instruments avancés à bord du XMM-Newton.

    • Vue radiographique et optique de l'amas de galaxies de Coma. Crédit :ESA/XMM-Newton/SDSS/J. Sanders et al. 2019

    • Vue XMM-Newton des mouvements de gaz chauds dans l'amas de galaxies de Coma. Crédit :ESA/XMM-Newton/J. Sanders et al. 2019

    Exploration du ciel dynamique aux rayons X depuis son lancement en 1999, XMM-Newton est le plus gros satellite scientifique jamais construit en Europe, et porte certains des miroirs de télescope les plus puissants jamais développés.

    "Cette technique d'étalonnage met en évidence les nouvelles capacités de la caméra EPIC, " dit Norbert Schartel, Scientifique du projet ESA XMM-Newton.

    "L'astrophysique des hautes énergies implique souvent de comparer des données de rayons X à différents points du cosmos pour tout, du plasma aux trous noirs, la capacité de minimiser les effets instrumentaux est donc essentielle. En utilisant les observations XMM-Newton passées pour affiner les futures, la nouvelle technique peut ouvrir des opportunités inspirantes pour de nouvelles recherches et découvertes."

    These XMM-Newton observations will also remain unparalleled until the launch of ESA's Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics (Athena) in 2031. Whereas covering such large areas of sky will largely be beyond the capabilities of telescopes such as the upcoming JAXA/NASA X-ray Imaging and Spectroscopy Mission, or XRISM, Athena will combine a large X-ray telescope with state-of-the-art scientific instruments to shed new light on the hot, energetic universe.


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