Amas de La Balle et Effet Compton Inverse

Avec cette œuvre nous partons à la découverte de l’Amas de La Balle 1E 0657 – 56 appelé aussi Amas du Boulet et situé dans la Constellation de La Carène, l’Univers lointain à environ 3,4 milliards d’années lumière : nous allons donc remonter l’espace et le temps.

Amas du Boulet et matière noire :
Un des problèmes majeurs de l’astrophysique moderne est que nous ignorons la nature de l’essentiel des composants de l’univers. La matière lumineuse, des ondes radio aux rayons gamma, la seule que nous voyons directement, est notre unique source d’informations, elle semble représenter moins du dixième de la masse de l’Univers, car 96 % de notre Univers est porté manquant dans nos télescopes. Cette masse manquante est appelée « matière noire ». Bien que la matière soit minoritaire, nous voyons beaucoup d’objets, des planètes, des étoiles, des galaxies, des amas et surtout de très grandes zones de gaz.
La matière ordinaire observable ne représente que 4 % de l’Univers, le reste (96 %) est décrit dans un modèle admis majoritairement : le modèle SCDM (Standard Cold Dark Matter).
Les amas de galaxies ne sont pas constitués que de galaxies, ils baignent dans du gaz froid de faible densité (1000 particules /m3) et dans du gaz extrêmement chaud (10 à 100 millions de degrés). A ces températures il s’agit d’un plasma totalement ionisé et visible dans le domaine des rayons X. Le gaz est distribué de façon diffuse, il remplit l’espace entre les galaxies et s’étend bien au delà.
Sur cette œuvre est représentée la gigantesque collision entre les deux amas du Boulet. Les
galaxies des deux amas sont observées en lumière visible, ce sont les taches blanches dans les parties bleues ; les gaz chauds des deux amas sont observés dans les rayons X, ce sont les nuages roses, la matière noire est représentée en bleu.

Ondes de choc dans l’Univers – Astronoo :
Que voyons nous ? Nous voyons le résultat d’une collision entre deux amas. Sur l’image qui m’a guidée dans cette œuvre, il y a en fait des centaines de galaxies regroupées en amas, nous voyons surtout un petit amas de galaxies dans la tache bleue de droite, et un grand amas de galaxies dans la tache bleue de gauche. Les deux enveloppes gazeuses des deux amas sont en couleur rose. En réalité le petit amas de galaxies à droite vient de traverser le grand amas à gauche. La gigantesque collision a « décoiffé » les deux amas de leur halo de gaz provoquant une onde de choc visible dans la pointe de la petite tache rose. Cette onde de choc a comprimé et échauffé les gaz de l’amas jusqu’à 100 millions de degrés.
Sur l’œuvre dans les parties bleues apparaissent de petits ronds et taches en colori blanc : ce sont quelques unes des centaines de galaxies qui composent cet amas. J’ai également représenté quelques étoiles autour de l’amas, elles apparaissent en couleur blanc-bleuté, et elles sont probablement beaucoup plus proches de nous que l’Amas de La Balle.
Ondes de choc de l’Univers – Astronoo (suite) :
L’Amas du Boulet est l’un des amas les plus chauds connus, par endroit le télescope Chandra X-Ray Observatory a mesuré une vitesse de déplacement des gaz de 4500 km/s.
Les deux amas (en bleu) sont maintenant séparés de 3,4 années-lumière.

Matière Noire :
Ce sont les régions volontairement colorées en bleu qui montrent la distribution de matière noire invisible dans le cluster. Dans ce choc frontal titanesque, la matière noire a traversé l’autre matière noire sans heurt alors que le gaz interstellaire a été arraché des amas. La séparation claire de la matière noire et des nuages de gaz est considérée comme une preuve directe de l’existence de la matière noire.

« Les groupes et amas de galaxies » :
Observer les amas en rayons X : après les années 1970, plusieurs générations de télescopes X de plus en plus performants se sont succédées. Les trois caractéristiques principales que l’on cherche sans cesse à améliorer sont la sensibilité (ou la surface collectrice), la résolution spatiale et la résolution en énergie (terme utilisé en rayons X à la place de résolution spectrale).
Depuis dix ans, trois satellites observent le ciel en rayons X :
XMM-Newton (satellite européen).
CHANDRA (satellite américain)
Suzaku (satellite japonais)

Revenons à la matière noire : dans les deux parties bleues où l’on aperçoit en petites taches blanches quelques unes des galaxies de l’amas, j’ai également symbolisé en pourpre foncé les WIMP (Weakly interactive massive particles) une classe de particules lourdes, interagissant faiblement avec la matière et constituant d’excellents candidats à la matière sombre non baryonique. Les WIMP seraient en fait des particules constituées de neutrinos lourds.

« Matière noire » :
Le neutrino a longtemps semblé un candidat idéal pour la matière noire. Quand on écrit « le neutrino », il faut lire « les neutrinos » puisque ces particules se déclinent en trois saveurs : électronique, muonique et tauique. Chacune de ces saveurs a une masse différente. La cosmologie indique que ces particules jouent un rôle important en tant que matière noire si la somme de leurs masses est de l’ordre de la dizaine d’eV, et l’observation des oscillations de neutrinos indique très clairement que certaines de ces particules ont des masses supérieures à quelques centièmes d’eV.
Le neutrino « léger » de masse inférieure à 3 GeV semble donc exclu comme candidat à la matière noire.
Le neutrino très lourd pourrait faire l’affaire, il s’agirait d’une quatrième saveur non encore détectée. Ce pourrait être un neutrino stérile n’interagissant pas avec les autres particules dans les mêmes canaux et ne se couplant pas au boson Z°.

Effet Compton Inverse :
Sur l’œuvre tout autour des amas et de la matière noire en bleu, j’ai représenté l’effet Compton inverse : les photons cosmologiques peu énergétiques et représentés en ondes de couleur orange « cognent » sur les électrons ainsi « régénérés » en ondes pourpre ou rose. Parfois c’est un électron en petite bille bleu clair qui « cognent » contre un proton en bille rouge, l’électron est ensuite rediffusé, accompagné d’un photon énergétique en onde rose ; si le photon rediffusé est moins énergétique il sera alors représenté en onde orange. Au bord de l’œuvre j’ai représenté de l’hydrogène moléculaire en billes rouges et vertes (un proton et un neutron) : il arrive aussi qu’un électron ou un photon « cognent » contre cet hydrogène moléculaire : un électron est alors rediffusé, ou un électron et un photon à la fois s’échappent en même temps.

Un article sur l’effet Compton Inverse et effet Sunyaev-Zel’Dovich :
PLANCK HFI – le catalogue d’amas de galaxies de Planck :
Le rayonnement fossile a été émis environ 380000 ans après le Big Bang. Depuis il se propage librement dans l’Univers, lorsqu’il traverse le gaz chaud des amas de galaxies, gaz constitué d’hydrogène ionisé, de protons et d’électrons, les photons du rayonnement cosmologique sont alors en partie diffusés. Ces photons peu énergétiques « cognent » sur les électrons du gaz chaud : c’est l’effet Sunyaev-Zel’Dovich, du nom des deux chercheurs qui l’ont prédit à la fin des années 1960. Grâce à l’effet SZ, les photons du rayonnement fossile gagnent de l’énergie.

Voici une nouvelle découverte de l’Univers lointain, qui je l’espère me guidera vers d’autres œuvres et me permettra d’approfondir à la fois le rôle de la lumière et les questions que nous pose la matière noire.