La relique à la périphérie de l'amas de galaxies CIZA J2242+53, nommé « Saucisse » en raison de sa forme, est situé à une distance d'environ deux milliards d'années-lumière de nous. Les courbes de niveau montrent l'intensité de l'émission radio à une longueur d'onde de 3 cm, observé avec le radiotélescope Effelsberg de 100 m. Les couleurs représentent la distribution de l'intensité radio polarisée linéairement à la longueur d'onde choisie, en unités de Milli-Jansky par faisceau de télescope. Les tirets courts indiquent l'orientation du champ magnétique. La source lumineuse en bas est une radiogalaxie qui appartient au même amas de galaxies. Crédit :© M. Kierdorf et al., A&A 600, A18
Des astronomes de Bonn et Tautenburg en Thuringe (Allemagne) ont utilisé le radiotélescope de 100 m d'Effelsberg pour observer plusieurs amas de galaxies. Aux bords de ces grandes accumulations de matière noire, systèmes stellaires (galaxies), gaz chaud, et particules chargées, ils ont trouvé des champs magnétiques exceptionnellement ordonnés sur des distances de plusieurs millions d'années-lumière. Cela en fait les champs magnétiques les plus étendus de l'univers connus à ce jour.
Les résultats seront publiés le 22 mars dans la revue Astronomie &Astrophysique .
Les amas de galaxies sont les plus grandes structures gravitationnelles de l'univers. Avec une étendue typique d'environ 10 millions d'années-lumière, soit 100 fois le diamètre de la Voie Lactée, ils hébergent un grand nombre de ces systèmes stellaires, avec du gaz chaud, champs magnétiques, particules chargées, noyé dans de grands halos de matière noire, dont la composition est inconnue. La collision des amas de galaxies entraîne une compression par choc du gaz chaud de l'amas et des champs magnétiques. Les caractéristiques ressemblant à des arcs qui en résultent sont appelées « reliques » et se distinguent par leur émission radio et de rayons X. Depuis leur découverte en 1970 avec un radiotélescope près de Cambridge/Royaume-Uni, des reliques ont été trouvées dans environ 70 amas de galaxies jusqu'à présent, mais beaucoup d'autres sont susceptibles d'exister. Ce sont des messagers d'énormes flux de gaz qui façonnent en permanence la structure de l'univers.
Les ondes radio sont d'excellents traceurs de reliques. La compression des champs magnétiques ordonne les lignes de champ, qui affecte également les ondes radio émises. Plus précisément, l'émission devient polarisée linéairement. Cet effet a été détecté dans quatre amas de galaxies par une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn (MPIfR), l'Institut Argelander de radioastronomie de l'Université de Bonn (AIfA), l'Observatoire d'État de Thuringe à Tautenburg (TLS), et collègues à Cambridge/États-Unis. Ils ont utilisé le radiotélescope de 100 m du MPIfR près de Bad Münstereifel-Effelsberg dans les collines de l'Eifel à des longueurs d'onde de 3 cm et 6 cm. De telles longueurs d'onde courtes sont avantageuses car l'émission polarisée n'est pas diminuée lors du passage à travers l'amas de galaxies et notre Voie lactée. La figure 1 montre le cas le plus spectaculaire.
Le radiotélescope de 100 m près de Bad Münstereifel-Effelsberg. Les observations d'émission radio polarisée des amas de galaxies ont été réalisées avec ce télescope à des longueurs d'onde de 3 et 6 cm. Crédit :© Norbert Junkes/MPIfR
Des reliques polarisées linéairement ont été trouvées dans les quatre amas de galaxies observés, dans un cas pour la première fois. Les champs magnétiques sont d'une force similaire à celle de notre Voie lactée, tandis que les degrés de polarisation mesurés jusqu'à 50 % sont exceptionnellement élevés, indiquant que l'émission provient d'un champ magnétique extrêmement ordonné. "Nous avons découvert les plus grands champs magnétiques ordonnés jusqu'à présent dans l'univers, s'étendant sur 5 à 6 millions d'années-lumière", dit Maja Kierdorf du MPIfR Bonn, le chef de projet et premier auteur de la publication. Elle a également rédigé sa thèse de maîtrise à l'Université de Bonn sur ce sujet. Pour ce projet, le co-auteur Matthias Hoeft de TLS Tautenburg a développé une méthode qui permet de déterminer le "nombre de Mach", c'est-à-dire le rapport de la vitesse relative entre les nuages de gaz en collision et la vitesse locale du son, en utilisant le degré de polarisation observé. Les nombres de Mach résultants d'environ deux nous indiquent que les amas de galaxies entrent en collision avec des vitesses d'environ 2000 km/s, qui est plus rapide que précédemment dérivé des mesures de l'émission de rayons X.
Les nouvelles observations du télescope Effelsberg montrent que le plan de polarisation de l'émission radio des reliques tourne avec la longueur d'onde. Cet "effet de rotation Faraday", du nom du physicien anglais Michael Faraday, indique que des champs magnétiques ordonnés existent également entre les amas et, avec du gaz chaud, provoquer la rotation du plan de polarisation. De tels champs magnétiques peuvent être encore plus grands que les amas eux-mêmes.
"Le radiotélescope Effelsberg s'est à nouveau avéré être un instrument idéal pour détecter les champs magnétiques dans l'univers", souligne le co-auteur Rainer Beck de MPIfR qui travaille sur ce sujet depuis plus de 40 ans. "Maintenant, nous pouvons rechercher systématiquement des champs magnétiques ordonnés dans les amas de galaxies en utilisant des ondes radio polarisées."
