2. La masse cachée dans les amas de galaxies
C'est en fait à propos des amas de galaxies que naquit l'idée de masse invisible. Ces systèmes immenses (de tailles voisines de la dizaine de millions d'années-lumière) rassemblent des centaines ou des milliers de galaxies qui s'y déplacent avec des vitesses élevées. On peut effectuer à leur propos une analyse dynamique semblable à la précédente car les galaxies orbitent dans un amas à l'instar des étoiles dans une galaxie. La différence principale tient au fait que ces mouvements correspondent à une agitation désordonnée et non à une rotation d'ensemble.
L'astrophysicien suisse Fritz Zwicky s'était aperçu dès 1933 que la vitesse moyenne des galaxies dans les amas les plus proches de nous, appelés Coma et Virgo, ne pouvait s'expliquer si la masse de ces amas ne dépassait par la somme des masses estimées des galaxies qui les constituaient. Des analyses similaires appliquées depuis lors à de nombreux amas ont amené à la conclusion que leurs masses excèdent d'un facteur dix au moins (mais souvent bien davantage) la masse des étoiles dans les galaxies de l'amas. Cela confirme donc la présence de masse invisible dans les galaxies. Et cela suggère même qu'il y a encore plus de masse cachée que celle qui est contenue dans ces galaxies, peut-être sous la forme d'une composante spécifique, distribuée à une plus grande échelle.
L'existence d'importantes quantités de masse cachée dans les amas a reçu une confirmation supplémentaire grâce aux observations en rayons X. Les amas sont en effet remplis, entre les galaxies, d'un gaz très chaud émetteur de rayons X. La distribution spatiale de ce gaz et sa température s'ajustent au potentiel gravitationnel de l'amas. Ainsi, la mesure de la température de ce gaz (en dizaines de millions de degrés), accomplie par des observations spectroscopiques en rayons X, permet d'estimer la masse totale de l'amas. Le principe est toujours le même puisque mesurer la température du gaz, c'est mesurer la vitesse d'agitation thermique de ses atomes constitutifs dans le potentiel gravitationnel de l'amas. Encore une fois, la conclusion s'impose qu'il existe au moins dix fois plus de masse que celle des composantes que l'on détecte. Enfin, des confirmations supplémentaires de la présence de grandes quantités de masse cachée proviennent des effets de lentille gravitationnelle : la masse d'un amas de galaxie peut dévier les trajets de rayons lumineux en provenance de sources astronomiques – par exemple de quasars – situées derrière (par rapport à l'observateur). Dans un tel cas, l'analyse des caractéristiques du système peut conduire à une estimation de la masse.
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