vendredi 6 novembre 2020

Le gaz chaud intergalactique caractérisé directement par ses rayons X


Une équipe d'astrophysiciens vient de parvenir à mesurer la densité et la température du gaz chaud intergalactique, cette matière baryonique qui a tendance à bien se cacher dans les filaments cosmiques entre les amas de galaxies. Une étude parue dans Astronomy&Astrophysics.


Le gaz chaud qui peuple les filaments de matière noire entre les amas de galaxies représente à lui seul près de 50% de la matière ordinaire, mais reste très difficile à détecter et à caractériser. Jusqu'à il y a quelques années, il nous manquait donc environ 50% de la matière baryonique (ordinaire), en plus de la matière noire qui elle manque vraiment. Car ce gaz chaud ionisé, du plasma, ne pouvait pas être détecté directement. Et puis des méthodes indirectes ont permis il y a quelques années de le mettre en évidence de plus en plus clairement. Aujourd'hui, l'équipe d'astrophysiciens internationaux qui travaillent ensemble à l'Institut d'Astrophysique Spatiale de l'Université Paris-Saclay détectent directement et mesurent ce gaz chaud intergalactique par sa propre émission de rayons X thermique. Ils mesurent d'une part sa densité et d'autre part sa température.
Hideki Tanimura et ses collaborateurs ont exploité des données dans le domaine des rayons X du satellite ROSAT (Röntgen Satellite, télescope spatial allemand qui a fonctionné entre 1990 et 1999), en sélectionnant 15165 filaments qui s'étendent sur des distances comprises entre 30 et 100 Mpc et qui avaient été identifiés dans le relevé du Sloan Digital Sky. Les chercheurs ont empilé les cartes de comptage de photons X autour des filaments en excluant les groupes de galaxies et les amas de plus de 30000 milliards de masses solaires ainsi que les sources X ponctuelles connues par des observations de ROSAT, de Chandra et XMM-Newton. 
L'empilement des données permet de voir pour la première fois l'émission de rayons X venant du gaz chaud diffus dans les régions centrales des filaments, avec une surdensité δ ∼ 30 et une température de 0,9 keV, ce qui est équivalent à 10,5 millions de kelvins.
Tanimura et ses collaborateurs notent que cette émission thermique en rayons X n'est observée que dans la bande d'énergie comprise entre 0,5 et 1,21 keV et dans aucune des 5 autres bandes disponibles dans les données de ROSAT. Ce résultat avait été prédit en 2001 et 2006 par deux études qui, en faisant des simulations hydrodynamiques, avaient montré que la contribution dans l'émission X du gaz chaud intergalactique (ce qu'on appelle parfois le WHIM : Warm-Hot Intergalactic Medium) devait être maximale entre 0,4 et 0,9 keV (entre 5 et 10 millions de K).
Cette température du coeur des filaments (à moins de 2 Mégaparsecs du centre) est tout de même un peu plus élevée que la température qui avait été déduite dans des études indirectes antérieures. Mais Tanimura et son équipe notent que ces études antérieures n'observaient que la périphérie des filaments (à plus de 5 Mpc du centre). Il se peut donc selon eux qu'il existe un gradient de température entre le coeur et la périphérie des filaments de gaz chaud intergalactique.
Et lorsqu'ils comparent la valeur de densité qu'ils trouvent avec les valeurs de densité déduites de mesures statistiques effectuées auparavant par des méthodes indirectes (comme des effets de lentille gravitationnelle faibles ou l'effet Sunaiev-Zeldovitch), les astrophysiciens trouvent des valeurs tout à fait cohérentes. 
Pour conclure, Tanimura et son équipe extrapolent à ce qui sera possible d'obtenir avec les données du très récent télescope X spatial successeur de ROSAT : l'instrument germano-russe eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) à bord de SRG (Spectrum Röntgen Gamma) lancé l'année dernière vers le point de Lagrange L2. Le WHIM pourrait être détecté par eROSITA avec  un empilement de seulement 100 filaments (au lieu de 15000), et des températures plus basses (0,3 keV) pourraient être atteintes avec 2000 filaments empilés... Laissons-lui quelques années d'enregistrement de données sur l'ensemble du ciel.


Source
First detection of stacked X-ray emission from cosmic web filaments
H. Tanimura et al.
A&A 643, L2 (06 November 2020)


Illustration

Simulation de la distribution du gaz chaud en filaments (R. Cen/Princeton University)