Une étude, dont les résultats intitulés «Mapping the kinetic Sunyaev-Zel'dovich effect toward MACS J0717.5+3745 with NIKA» ont été publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics, a permis d'obtenir pour la première fois une image de la vitesse du gaz lors de la fusion de plusieurs amas de galaxies, grâce à The New IRAM KIDs Array (NIKA) qui «était le prototype de la caméra de plus grandes dimensions, NIKA2, récemment installée au télescope de 30m de l’IRAM».

Rappelons tout d'abord que «l'Univers dans lequel nous vivons aujourd'hui a été façonné par la formation des grandes structures, qui ont commencé à se former par effondrement gravitationnel il y a environ 14 milliards d'années, juste après le Big Bang». Les amas de galaxies sont «aujourd'hui, les plus grands objets gravitationnellement liés» constituant «les pièces fondamentales de notre Univers».

Il apparaît que les amas de galaxies en dépit de leur nom «sont principalement composés de matière noire (~ 85%) et de gaz chaud ionisé (~ 12%), avec seulement quelques pourcents de leur masse contenue dans les galaxies». De ce fait, «le processus de formation des amas est dominé par l'effondrement gravitationnel de la matière noire, le gaz et les galaxies 'suivant' ce processus». Il en résulte qu'au cours de leur assemblage, «les amas peuvent entrer en collision les uns avec les autres, avec une vitesse élevée».

Comme ces fusions d'amas «sont les événements les plus énergiques depuis le Big Bang», il est essentiel d'évaluer la vitesse de ces amas. Pour ce faire, il est envisageable «de mesurer l'empreinte de leur mouvement dans le rayonnement du fond diffus cosmologique (CMB) par l'utilisation de l'effet Sunyaev-Zel'dovich cinétique (kSZ)» qui découle «du décalage Doppler des photons du CMB quand ils interagissent avec les électrons du gaz intra-amas qui se déplacent à grande vitesse».

Aujourd'hui, «l'effet kSZ est le seul moyen connu de mesurer directement la vitesse particulière d'objets à des distances cosmologiques, parce que contrairement à d'autres méthodes, le rayonnement du CMB lui-même fournit une référence absolue pour la mesure». Cependant, «si son homologue thermique (l’effet Sunyaev-Zel'dovich thermique, tSZ) est maintenant couramment utilisé pour mesurer la pression du gaz dans les amas», l'effet kSZ reste «très difficile à observer et seulement une poignée de détections de faible signification statistique a été obtenue jusqu'à présent».

Indiquons ici que «NIKA et NIKA2 observent les signaux astronomiques à 150 et 260 GHz», une approche double-bande qui permet, en principe, «aux astronomes d'extraire à la fois le signal tSZ et kSZ quand ils observent les amas de galaxies». L'étude ici présentée, «motivée par le défi scientifique et les performances élevées de NIKA», s'est employée à mesurer l’effet kSZ en cartographiant MACS J0717.5+ 3745, «l’un des amas où le processus de fusion est des plus violents» (le décalage vers le rouge de 0.55 de MACS J0717.5+ 3745 «correspond à une distance de plusieurs milliards d’années lumières»).

Soulignons que cette cartographie kSZ, qui «fournit la quantité de mouvement du gaz intégrée sur la ligne de visée par rapport au cadre de référence du CMB», est «une mine d'informations pour comprendre la physique des amas en fusion». Il est ainsi apparu que les deux sous-amas principaux de MACS J0717.5+3745, à savoir B et C, «sont en train de tomber l’un sur l'autre avec une très grande quantité de mouvement».

 

Précisons ici que «la mesure du signal kSZ est une première étape», mais que, pour «mesurer la vitesse du gaz elle-même», il est nécessaire «de séparer le signal kSZ de la distribution de densité du gaz le long de la ligne de visée», une procédure qui «a requis l'utilisation d'observations en rayons X par les satellites XMM-Newton et Chandra» pour mesurer, «grâce à un modèle physique», la vitesse de déplacement de l’amas, ce qui a permis «d'extraire une carte de la vitesse du gaz par rapport au référentiel du CMB».

Comme l'image obtenue, dont l'interprétation «dépend des hypothèses de modélisation», fournit, pour la première fois, une image du gaz en mouvement dans un amas de galaxies, qui de plus est très lointain», on peut dire que la voie est ouverte «à une nouvelle manière d'étudier la fusion des amas», en particulier avec l'instrument NIKA2, maintenant installé au télescope, qui «offre des perspectives très prometteuses pour l'étude des amas de galaxies, y compris les amas en fusion par l'effet kSZ».