Nous avons vu des motifs complexes que le lait fait dans le café et des motifs beaucoup plus lisses que le miel fait lorsqu'il est mélangé avec une cuillère. Lequel de ces cas décrit le mieux le comportement du gaz chaud dans les amas de galaxies ? En répondant à cette question, une nouvelle étude utilisant l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA a approfondi notre compréhension des amas de galaxies, les plus grandes structures de l'Univers maintenues ensemble par la gravité.

Les amas de galaxies sont constitués de trois composants principaux :les galaxies individuelles, gaz de plusieurs millions de degrés qui remplit l'espace entre les galaxies, et la matière noire, une forme mystérieuse de matière qui se répand dans un amas et représente environ 80 pour cent de la masse de l'amas.

Une équipe d'astronomes a utilisé un ensemble de longues observations Chandra, totalisant environ deux semaines d'observation, de l'amas de galaxies de Coma pour sonder les propriétés du gaz à des échelles spatiales comparables à une distance typique que les particules parcourent entre les collisions les unes avec les autres. Cette mesure les a aidés à se renseigner sur la viscosité - le terme technique pour la résistance au mouvement des grumeaux de gaz les uns par rapport aux autres - du gaz chaud dans Coma.

"Notre découverte suggère que la viscosité du gaz à Coma est beaucoup plus faible que prévu, " a déclaré Irina Zhuravleva de l'Université de Chicago, qui a dirigé l'étude. "Cela signifie que des turbulences peuvent facilement se développer dans les gaz chauds des amas de galaxies à petite échelle, analogue à des mouvements tourbillonnants dans une tasse à café."

Le gaz chaud de Coma brille dans la lumière des rayons X observée par Chandra. Le gaz est connu pour contenir environ six fois plus de masse que toutes les galaxies combinées de l'amas. Malgré son abondance, la densité du gaz chaud à Coma, dont les observations radio ont montré qu'il est imprégné d'un champ magnétique faible, est si faible que les particules n'interagissent pas très souvent. Une si faible densité, les gaz chauds ne peuvent pas être étudiés dans un laboratoire sur Terre, et donc les scientifiques doivent s'appuyer sur des laboratoires cosmiques comme celui fourni par le gaz intergalactique de Coma.

"Nous avons utilisé Chandra pour sonder si la densité du gaz est lisse sur les plus petites échelles que nous puissions détecter, " dit Eugène Churazov, co-auteur de l'Institut Max Planck d'astrophysique de Garching et de l'Institut de recherche spatiale de Moscou. "Nous avons constaté que ce n'est pas le cas, suggérant que la turbulence est présente même à ces échelles relativement petites et que la viscosité est faible."

Pour arriver à ces conclusions, l'équipe s'est concentrée sur une région éloignée du centre de l'amas de Coma où la densité du gaz chaud est encore plus faible qu'au centre. Ici, les particules doivent parcourir de plus longues distances - environ 100, 000 années-lumière en moyenne pour interagir avec une autre particule. Cette distance est suffisamment grande pour être sondée avec Chandra.

"L'un des aspects les plus surprenants est peut-être que nous avons pu étudier la physique à des échelles pertinentes pour les interactions entre les particules atomiques dans un objet situé à 320 millions d'années-lumière, " a déclaré le co-auteur Alexander Schekochihin de l'Université d'Oxford au Royaume-Uni. " De telles observations ouvrent une grande opportunité d'utiliser les amas de galaxies comme laboratoires pour étudier les propriétés fondamentales du gaz chaud. "

Pourquoi la viscosité du gaz chaud de Coma est-elle si faible ? Une explication est la présence d'irrégularités à petite échelle dans le champ magnétique de l'amas. Ces irrégularités peuvent dévier des particules dans le gaz chaud, qui est composé de particules chargées électriquement, principalement des électrons, et des protons. Ces déflexions réduisent la distance qu'une particule peut parcourir librement et, par extension, la viscosité du gaz.

La connaissance de la viscosité du gaz dans un amas de galaxies et de la facilité avec laquelle la turbulence se développe aide les scientifiques à comprendre les effets de phénomènes importants tels que les collisions et les fusions avec d'autres amas de galaxies, et des groupes de galaxies. Les turbulences générées par ces événements puissants peuvent agir comme une source de chaleur, empêchant le gaz chaud des amas de se refroidir pour former des milliards de nouvelles étoiles.

Les chercheurs ont choisi le cluster Coma pour cette étude car il possède la meilleure combinaison de propriétés physiques requises. La distance moyenne entre les collisions de particules est plus élevée pour les gaz avec des températures plus élevées et des densités plus faibles. Coma est plus chaud que les autres amas de galaxies proches les plus brillants et a une densité relativement faible, contrairement aux noyaux froids et denses d'autres amas brillants de galaxies, notamment Persée et la Vierge. Cela donne aux astronomes une chance d'utiliser l'amas de Coma comme laboratoire pour étudier la physique des plasmas.

Futures mesures directes des vitesses des mouvements de gaz avec la mission d'imagerie et de spectroscopie à rayons X (XRISM), une mission collaborative entre l'agence d'exploration japonaise et la NASA, fournira plus de détails sur la dynamique des clusters, nous permettant de faire des études robustes de nombreux amas de galaxies proches. XRISM devrait être lancé au début des années 2020.

Un article décrivant ce résultat est paru dans le numéro du 17 juin de la revue Astronomie de la nature .