Dans des amas géants de centaines ou de milliers de galaxies, d’innombrables étoiles errent parmi les galaxies comme des âmes perdues, émettant une brume fantomatique de lumière. Ces étoiles ne sont pas gravitationnellement liées à une galaxie dans un amas.

La question lancinante pour les astronomes a été: comment les étoiles ont-elles pu être si dispersées dans l’amas en premier lieu? Plusieurs théories concurrentes incluent la possibilité que les étoiles aient été retirées des galaxies d’un amas, ou qu’elles aient été ballottées après des fusions de galaxies, ou qu’elles aient été présentes au début des années de formation d’un amas il y a plusieurs milliards d’années.

Une récente étude infrarouge du télescope spatial Hubble de la NASA, qui a cherché cette soi-disant « lumière intra-amas », jette un nouvel éclairage sur le mystère. Les nouvelles observations de Hubble suggèrent que ces étoiles errent depuis des milliards d’années et ne sont pas le produit d’une activité dynamique plus récente à l’intérieur d’un amas de galaxies qui les dépouillerait des galaxies normales.

Ce sont des images du télescope spatial Hubble de deux amas massifs de galaxies nommés MOO J1014+0038 (panneau de gauche) et SPT-CL J2106-5844 (panneau de droite). La couleur bleue ajoutée artificiellement est traduite à partir des données de Hubble qui ont capturé un phénomène appelé lumière intra-amas. Cette lueur extrêmement faible trace une distribution lisse de la lumière des étoiles errantes dispersées à travers l’amas. Il y a des milliards d’années, les étoiles ont été éliminées de leurs galaxies parentes et dérivent maintenant dans l’espace intergalactique.

Crédits : NASA, ESA, STScI, James Jee (Yonsei University); Traitement de l’image : Joseph DePasquale (STScI)

L’étude comprenait 10 amas de galaxies aussi éloignés que près de 10 milliards d’années-lumière. Ces mesures doivent être effectuées depuis l’espace car la faible lumière intra-amas est 10 000 fois plus faible que le ciel nocturne vu du sol.

L’étude révèle que la fraction de la lumière intra-amas par rapport à la lumière totale dans l’amas reste constante, en regardant des milliards d’années en arrière dans le temps. « Cela signifie que ces étoiles étaient déjà sans abri dans les premiers stades de la formation de l’amas », a déclaré James Jee de l’Université Yonsei à Séoul, en Corée du Sud. Ses résultats sont publiés dans le numéro du 5 janvier du magazine Nature.

Les étoiles peuvent être dispersées en dehors de leur lieu de naissance galactique lorsqu’une galaxie se déplace à travers la matière gazeuse dans l’espace entre les galaxies, alors qu’elle orbite autour du centre de l’amas. Dans le processus, la traînée pousse le gaz et la poussière hors de la galaxie. Cependant, sur la base de la nouvelle enquête de Hubble, Jee exclut ce mécanisme comme cause principale de la production d’étoiles intra-amas. C’est parce que la fraction lumineuse intracluster augmenterait avec le temps jusqu’à aujourd’hui si le stripping est l’acteur principal. Mais ce n’est pas le cas dans les nouvelles données de Hubble, qui montrent une fraction constante sur des milliards d’années.

« Nous ne savons pas exactement ce qui les a rendus sans-abri. Les théories actuelles ne peuvent pas expliquer nos résultats, mais d’une manière ou d’une autre, elles ont été produites en grande quantité dans l’univers primitif », a déclaré Jee. « Dans leurs premières années de formation, les galaxies auraient pu être assez petites et elles saignaient les étoiles assez facilement en raison d’une compréhension gravitationnelle plus faible. »

« Si nous déterminons l’origine des étoiles intra-amas, cela nous aidera à comprendre l’histoire de l’assemblage d’un amas de galaxies entier, et elles peuvent servir de traceurs visibles de matière noire enveloppant l’amas », a déclaré Hyungjin Joo de l’Université Yonsei, premier auteur de l’article. La matière noire est l’échafaudage invisible de l’univers, qui maintient les galaxies et les amas de galaxies ensemble.

Si les étoiles errantes étaient produites par un jeu de flipper relativement récent entre galaxies, elles n’auraient pas assez de temps pour se disperser dans tout le champ gravitationnel de l’amas et ne suivraient donc pas la distribution de la matière noire de l’amas. Mais si les étoiles sont nées dans les premières années de l’amas, elles se seront complètement dispersées dans l’amas. Cela permettrait aux astronomes d’utiliser les étoiles capricieuses pour cartographier la distribution de la matière noire à travers l’amas.

Cette technique est nouvelle et complémentaire à la méthode traditionnelle de cartographie de la matière noire en mesurant comment l’ensemble de l’amas déforme la lumière des objets d’arrière-plan en raison d’un phénomène appelé lentille gravitationnelle.

La lumière intra-amas a été détectée pour la première fois dans l’amas de galaxies Coma en 1951 par Fritz Zwicky, qui a rapporté que l’une de ses découvertes les plus intéressantes était l’observation de la matière intergalactique lumineuse et faible dans l’amas. Parce que l’amas de Coma, contenant au moins 1 000 galaxies, est l’un des amas les plus proches de la Terre (330 millions d’années-lumière), Zwicky a pu détecter la lumière fantôme même avec un modeste télescope de 18 pouces.

La capacité et la sensibilité dans le proche infrarouge du télescope spatial James Webb de la NASA étendront considérablement la recherche d’étoiles intra-amas plus profondément dans l’univers et devraient donc aider à résoudre le mystère.

Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l’ESA. Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore, dans le Maryland, mène les opérations scientifiques de Hubble et Webb. STScI est exploité pour la NASA par l’Association des universités pour la recherche en astronomie, à Washington, D

(André Bouchard:albp@sympatico.ca)