Une combinaison de données d'observation et de simulations informatiques sophistiquées a permis des avancées dans un domaine de l'astrophysique qui languit depuis un demi-siècle. L'enquête sur l'énergie noire, qui est hébergé par le Fermi National Accelerator Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis, a publié une série de nouveaux résultats sur ce qu'on appelle la lumière intracluster, ou ICL, un faible type de lumière trouvé à l'intérieur des amas de galaxies.

La première salve de nouveauté, les mesures ICL de précision sont apparues dans un article publié dans Le Journal d'Astrophysique en avril 2019. Un autre est apparu plus récemment dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Dans une découverte surprenante de ce dernier, Les physiciens du DES ont découvert de nouvelles preuves que l'ICL pourrait fournir une nouvelle façon de mesurer une substance mystérieuse appelée matière noire.

La source de l'ICL semble être des étoiles voyous, ceux qui ne sont liés gravitationnellement à aucune galaxie. L'ICL a longtemps été suspectée d'être une composante importante des amas de galaxies, mais sa faiblesse la rend difficile à mesurer. Personne ne sait combien il y en a ni dans quelle mesure il s'est propagé à travers les amas de galaxies.

« En observation, nous avons découvert que la lumière intra-amas est un assez bon traceur radial de la matière noire. Cela signifie que là où la lumière intra-amas est relativement brillante, la matière noire est relativement dense, " a déclaré le scientifique du Fermilab Yuanyuan Zhang, qui a dirigé les deux études. "Le simple fait de mesurer l'ICL lui-même est assez excitant. La partie matière noire est une découverte fortuite. Ce n'est pas ce à quoi nous nous attendions."

Bien qu'invisible, la matière noire représente la majeure partie de la matière dans l'univers. La composition de la matière noire est l'un des principaux mystères de la cosmologie moderne. Les scientifiques savent seulement qu'elle diffère grandement de la matière normale constituée de protons, les neutrons et les électrons qui dominent la vie quotidienne.

Mais ICL, pas de matière noire, était initialement à l'ordre du jour de l'équipe de recherche. La plupart des astrophysiciens mesurent la lumière intraamas au centre d'un amas de galaxies, où il est le plus brillant et le plus abondant.

"Nous sommes allés très loin des centres des amas de galaxies, où la lumière est vraiment faible, " dit Zhang. " Et plus on s'éloignait du centre, plus la mesure devenait difficile."

Néanmoins, les collaborateurs du DES ont réussi à obtenir la mesure d'ICL la plus étendue radialement jamais réalisée.

L'équipe a utilisé une lentille gravitationnelle faible pour comparer la distribution radiale de l'ICL - comment elle change en fonction de la distance depuis le centre d'un amas - à la distribution radiale de la masse d'un amas de galaxies. La lentille faible est une méthode sensible à la matière noire pour mesurer la masse d'une galaxie ou d'un amas. Cela se produit lorsque la gravité d'une étoile ou d'un amas de premier plan dévie la lumière d'une galaxie plus éloignée, déformer sa forme apparente.

Il s'est avéré par observation que l'ICL reflète la distribution à la fois de la masse visible totale d'un amas de galaxies et, peut-être, la distribution de la matière noire invisible.

"Nous ne nous attendions pas à trouver un lien aussi étroit entre ces distributions radiales, mais nous l'avons fait, " a déclaré le scientifique Hillysson Sampaio-Santos, l'auteur principal du nouveau document.

Comparer des observations avec des simulations

Pour mieux comprendre, l'équipe a utilisé une simulation informatique sophistiquée pour étudier la relation entre l'ICL et la matière noire. Ils ont constaté que les profils radiaux entre les deux phénomènes dans la simulation ne concordaient pas avec les données d'observation. Dans la simulation, "le profil radial ICL n'était pas le meilleur composant pour tracer la matière noire, " dit Sampaio-Santos, qui est à l'Observatoire national de Rio de Janeiro, Brésil.

Zhang a noté qu'il est trop tôt pour dire exactement ce qui a causé le conflit entre l'observation et la simulation.

"Si la simulation n'a pas bien fonctionné, cela pourrait signifier que la lumière intracluster simulée est produite à un moment légèrement différent de celui des observations. Les étoiles simulées n'ont pas eu assez de temps pour se promener et commencer à tracer la matière noire, " elle a dit.

Sampaio-Santos a noté que d'autres études ICL pourraient donner un aperçu de la dynamique se produisant à l'intérieur des amas de galaxies, y compris les interactions qui libèrent gravitationnellement certaines de leurs étoiles, leur permettant de se promener.

"Je prévois d'étudier la lumière intragrappe et les effets de la relaxation, " ou s'étaler, il a dit. Par exemple, certains clusters ont fusionné. Ces clusters fusionnés doivent avoir des propriétés ICL différentes de celles des clusters relâchés.

Amélioration des signaux dans les ensembles de données bruyants

L'ICL que l'équipe a mesurée est environ cent à mille fois plus faible que ce que les scientifiques du DES tentent normalement. Cela signifie que l'équipe a dû faire face à beaucoup de bruit et de contamination dans le signal.

L'aspect technique de l'exploit était difficile, Zhang a dit, "mais parce que nous avions pas mal de données du Dark Energy Survey, nous avons pu annuler beaucoup de bruit pour faire ce genre de mesure. C'est une moyenne statistique."

Les astrophysiciens effectuent généralement des mesures ICL en utilisant une poignée d'amas de galaxies à la fois.

« C'est un excellent moyen d'obtenir des informations sur les systèmes individuels, " dit Zhang.

Pour avoir une vue d'ensemble et réduire le bruit, l'équipe DES a statistiquement fait une moyenne d'environ 300 amas de galaxies dans la première étude et de plus de 500 amas dans la seconde. Ils sont tous à quelques milliards d'années-lumière de la Terre.

Taquiner le signal à partir du bruit de chaque cluster prend beaucoup de données, c'est exactement ce que le DES a généré. Début 2019, DES a terminé sa mission de six ans d'observation de centaines de millions de galaxies lointaines dans le ciel austral et a publié publiquement sa deuxième publication de données à la mi-janvier.

Les mesures ICL sondent des amas situés jusqu'à 3,3 milliards d'années-lumière de la Terre. Dans les études futures, Zhang aimerait étudier l'évolution du décalage vers le rouge de l'ICL – comment elle change avec le temps cosmique.

"Mon rêve est d'aller jusqu'au décalage vers le rouge un—10 milliards d'années-lumière, ", a déclaré Zhang. "Les études disent que c'est à ce moment-là que l'ICL vient de commencer à évoluer."

Aller aussi loin permettrait aux scientifiques de voir l'ICL se construire au fil du temps.

"Mais c'est vraiment difficile car c'est trois fois la distance de nos dernières mesures, donc tout va être extrêmement faible là-bas, " elle a dit.