Lorsque les galaxies s’agglomèrent en amas, l’espace qui les sépare, plus vide que tout vide créé par les ingénieurs, se remplit de gaz : non pas d’hydrogène froid, mais d’un plasma chauffé à des dizaines de millions de degrés. Les astronomes appellent ce milieu le milieu intra-amas, ou ICM, et l’étudient depuis des décennies dans des amas matures assez proches pour être examinés en détail. La question de savoir comment cette vaste atmosphère invisible s’est formée à l’origine est restée largement sans réponse. Une nouvelle étude publiée dans Astronomy & Astrophysics change la donne.
En exploitant 180 heures d’observations de l’observatoire à rayons X Chandra, une équipe dirigée par Andrea Travascio, de l’Institut national d’astrophysique (INAF) en Italie, a directement détecté la naissance du milieu intra-amas dans un protocluster nommé MQN01, observé tel qu’il était seulement 2,1 milliards d’années après le Big Bang. Il s’agit de la première observation directe de la formation de l’atmosphère d’un amas dans l’univers jeune.
Un quasar dans une pépinière très peuplée
MQN01 est un protocluster, un rassemblement dense de galaxies en train de s’assembler en l’une de ces grandes structures urbaines de l’univers moderne. En son cœur se trouve un quasar hyperlumineux, un trou noir supermassif qui consomme activement la matière environnante et projette de l’énergie sur l’ensemble du spectre électromagnétique. Ce quasar est radio-calme : il ne présente pas les puissants jets relativistes qui s’échappent des pôles de nombreux trous noirs actifs. Ce détail compte : les jets peuvent chauffer et remodeler le gaz environnant d’une manière qui brouille le signal que les astronomes cherchent à isoler.
Travascio et son collaborateur Sebastiano Cantalupo, de l’université de Milan-Bicocca, ont adapté des techniques initialement développées pour étudier le gaz chaud autour des galaxies de Seyfert, des galaxies actives au noyau brillant, afin de percer l’éclat du quasar et de détecter la faible émission diffuse de rayons X du gaz environnant. Le signal était réel, mais subtil : 66 photons X nets, avec une significativité statistique de 8 sigma, ce qui rend la probabilité d’une fluctuation aléatoire infime. L’émission s’étend sur environ 30 kiloparsecs (près de 98 000 années-lumière) autour du quasar, révélant un réservoir de plasma chaud jamais observé à une époque aussi reculée.
Le premier souffle d’un amas
Ce gaz est chaud. Sa température, mesurée à partir du spectre des rayons X qu’il émet, correspond à kT = 1,8 ± 0,4 kiloélectronvolts, soit environ 20 millions de kelvins. Le cœur du Soleil atteint environ 15 millions de kelvins : cette atmosphère diffuse est donc plus chaude que le moteur qui alimente notre étoile la plus proche.
Plus frappante encore est la masse et la densité de ce gaz. L’équipe a calculé que le réservoir de gaz chaud de MQN01 contient environ 2 600 milliards de masses solaires, une masse comparable à la masse totale de gaz chaud de certains amas de galaxies pleinement formés de l’univers local, et ce gaz n’est pas étalé en couche mince : les densités y sont supérieures de 1 à 2 ordres de grandeur à celles des amas actuels. MQN01 est 3 à 10 fois plus brillant en rayons X et 4,3 fois plus dense que le protocluster Spiderweb, un autre système bien étudié à un décalage vers le rouge similaire. La jeune atmosphère est concentrée : elle est encore en train de se stabiliser et de s’étendre.
C’est la première observation directe de la formation du milieu intra-amas. Dans les amas matures comme l’amas de Coma et l’amas de la Vierge, le milieu intra-amas est un plasma stable et bien mélangé, en place depuis des milliards d’années, qui remplit le puits de potentiel gravitationnel de l’amas, émet des rayons X par rayonnement de freinage thermique et façonne l’évolution des galaxies qui y sont plongées. Dans MQN01, les astronomes observent ce processus à son tout début, alors que l’atmosphère chaude s’assemble pour la première fois autour du moteur central du protocluster.
L’équilibre de précipitation
La découverte renseigne aussi sur l’état physique de ce gaz jeune. L’équipe a examiné le rapport entre le temps de refroidissement et le temps de chute libre, noté t_cool/t_ff, qui décrit si le gaz chaud peut se refroidir et se condenser avant de tomber vers le centre gravitationnel du système. Lorsque ce rapport se situe entre 1 et 10, un régime connu sous le nom de limite de précipitation, le gaz devient thermiquement instable. Une partie de ce gaz se refroidit, se condense et retombe en pluie vers le centre, alimentant potentiellement la formation d’étoiles et nourrissant davantage le trou noir central.
Le gaz chaud de MQN01 se trouve précisément dans ce régime de précipitation, ce qui suggère un cycle dynamique autorégulé. Le quasar injecte de l’énergie dans le gaz environnant, en maintenant une grande partie de ce gaz chaud et flottant, tandis que des poches du même gaz se refroidissent assez vite pour précipiter vers l’intérieur, fournissant aux galaxies du protocluster la matière première de nouvelles étoiles et, peut-être, au quasar lui-même. La naissance du milieu intra-amas n’est pas un remplissage passif de l’espace vide, mais un processus actif et turbulent dans lequel le chauffage et le refroidissement rivalisent sur des échelles de temps de l’ordre du million d’années.
Une nouvelle fenêtre sur l’univers jeune
Cette détection n’a été possible que grâce aux capacités uniques de Chandra. Aux longueurs d’onde des rayons X, le gaz chaud brille d’une émission thermique invisible pour les télescopes optiques et infrarouges, et la résolution spatiale très fine de Chandra a permis à l’équipe de séparer l’éblouissante émission ponctuelle du quasar de la faible lueur étendue du gaz environnant. Cette technique, empruntée aux études des galaxies de Seyfert et affinée pour les distances bien plus grandes de cette cible, montre que même dans l’univers jeune, où les signaux sont faibles et les bruits de fond élevés, le ciel diffus en rayons X peut être cartographié en détail.
Travascio et son équipe ont ouvert une fenêtre d’observation directe sur une époque où les premiers amas de galaxies commençaient tout juste à assembler leurs atmosphères chaudes. Les futures observations menées avec Chandra et avec les observatoires à rayons X de nouvelle génération tels qu’Athena pourront s’appuyer sur ce résultat pour cibler davantage de protoclusters et cartographier la façon dont le milieu intra-amas passe d’un brouillard dense et naissant autour d’un quasar brillant aux vastes atmosphères diluées qui remplissent les plus grandes structures de l’univers.
Pour l’instant, MQN01 offre un instantané de cette transition pris sur le fait. À 2,1 milliards d’années après le Big Bang, dans un protocluster dense de 30 kiloparsecs de diamètre, l’atmosphère d’un futur amas de galaxies était en train de naître, brillant faiblement en rayons X et portant en elle les germes de milliers de galaxies encore à naître. Chandra, qui veillait depuis son orbite autour de la Terre, l’a vue.
Référence
Travascio, A., Cantalupo, S., et al. 2026, Astronomy & Astrophysics, 711, A242. DOI: <a href=”https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557020″ target=”_blank”>10.1051/0004-6361/202557020</a> (Open Access)
Traduit par Lydie