3.21 Fusions d’amas (collisions de galaxies)

Accueil ／ Chapitre 3 : Univers macroscopique

Les fusions d’amas — souvent appelées « collisions de galaxies » dans le langage courant — surviennent lorsque deux (ou plusieurs) amas se traversent puis se réorganisent. Ce chapitre dresse l’inventaire des observables clés et des difficultés d’interprétation, en opposant deux approches : la physique contemporaine, fondée sur la matière noire froide Lambda (ΛCDM) et la relativité générale (GR), et la théorie des fils d’énergie (Energy Threads, EFT), qui met au premier plan la gravité tensorielle statistique (Statistical Tensor Gravity, STG) et le bruit de fond tensoriel (Tensorial Background Noise, TBN), complétés par le décalage vers le rouge à la source (Source-Term Redshift, TPR) et l’environnement de trajectoire (Pathway Environment, PER) comme cartographies observationnelles.

En image simple, la physique contemporaine « ajoute un acteur invisible » — la matière noire —, tandis que la théorie des fils d’énergie « fait bouger le plancher de la scène » : le paysage tensoriel réagit aux événements et module la propagation de la lumière et de la matière.

I. Deux approches générales (clarifier d’emblée les termes)

1. Physique contemporaine (ΛCDM et relativité générale)
   • Postule une composante de matière presque sans collisions et invisible : la matière noire.
   • Lors d’une fusion, les halos de matière noire et les galaxies se pénètrent mutuellement, tandis que le gaz chaud subit des collisions, est freiné et chauffé ; on observe alors une séparation spatiale entre les pics de masse issus du lentillage et les pics de gaz en rayons X.
   • La gravité suit la relativité générale ; des simulations directes combinant matière noire et (magnéto)hydrodynamique reproduisent les signaux multi-longueurs d’onde (rayons X/effet Sunyaev-Zel’dovich thermique, radio et lentillage).
2. Théorie des fils d’énergie
   • Situe l’Univers, tôt comme tard, dans une « mer d’énergie » dont la topographie tension–pression façonne des effets gravitationnels à grande échelle décrits par la gravité tensorielle statistique.
   • Pendant une fusion, la matière visible injecte une « intensité de bouillonnement » (ondes de choc, cisaillement, turbulence) qui conditionne la réponse de la gravité tensorielle statistique et superpose une texture fine due au bruit de fond tensoriel.
   • Les décalages vers le rouge et les distances mesurés sur Terre peuvent intégrer le décalage vers le rouge à la source et l’environnement de trajectoire ; ils ne doivent pas être attribués exclusivement à la seule géométrie d’expansion cosmique.

II. Empreintes observables et mises à l’épreuve (huit points traités un à un)

Chaque point suit le schéma « phénomène/problème → lecture contemporaine → lecture par la théorie des fils d’énergie », avec un test concret lorsque c’est possible.

1. Décalage lentillage–rayons X (« offset κ–X »)
   • Phénomène/Problème : Dans des systèmes « type balle », les pics de masse reconstruits par lentillage faible/fort ne coïncident pas avec les pics d’émission/ température en rayons X, tandis que les pics de luminosité des galaxies suivent de plus près la masse. Pourquoi la structure dominée par la gravité se sépare-t-elle autant du gaz chaud collisionnel ?
   • Lecture contemporaine : La matière noire et les galaxies, quasi sans collisions, se traversent ; le gaz collisionnel est choqué, chauffé et en retard. La séparation géométrique découle naturellement d’une composante massive sans collisions.
   • Lecture par la théorie des fils d’énergie : Le bouillonnement de fusion amplifie — avec retard — le noyau de réponse effectif de la gravité tensorielle statistique le long de l’axe de fusion, creusant un « potentiel statistique » là où le gaz chaud est découplé, d’où l’offset systématique entre masse et rayons X.
   • Piste testable : L’offset doit varier de façon monotone avec des indicateurs de bouillonnement (force du choc, gradient de l’indice spectral radio, dispersion multi-température en rayons X) et se détendre avec une échelle de temps caractéristique après le passage au péricentre.
2. Arcs de choc et fronts froids (structures violentes du gaz chaud)
   • Phénomène/Problème : Les cartes en rayons X montrent fréquemment des arcs de choc (sauts nets de température/densité) et des fronts froids (discontinuités de contact très nettes). Comment co-expliquer positions, intensités et géométrie ?
   • Lecture contemporaine : Le mouvement relatif convertit l’énergie cinétique en énergie interne du gaz et forme des chocs ; le cisaillement et le drapage magnétique façonnent les fronts froids. Les détails dépendent de la viscosité, de la conduction et des effets magnétiques.
   • Lecture par la théorie des fils d’énergie : Les chocs et le cisaillement chauffent le gaz, mais agissent aussi comme termes sources qui renforcent localement la gravité tensorielle statistique ; le bruit de fond tensoriel enregistre la « rugosité » hors équilibre. Les normales de choc tendent ainsi à s’aligner avec les axes principaux de l’ellipticité de lentillage, et des « coins » de gravité statistique approfondie émergent près des fronts froids.
   • Piste testable : Statistiques d’alignement entre normales de choc et isocontours de lentillage ; vérification, le long des normales de front froid, de la cohérence entre comptabilité thermique/non thermique et gain de gravité tensorielle statistique.
3. Relicts radio et halos centraux (échos de particules non thermiques et de champs magnétiques)
   • Phénomène/Problème : Beaucoup de fusions présentent des relicts radio très polarisés en arc en périphérie et des halos diffus au centre. Pourquoi les relicts coïncident-ils souvent avec des chocs, et d’où vient l’efficacité d’accélération ?
   • Lecture contemporaine : Les chocs et la turbulence accélèrent les électrons (processus du premier ou du second ordre), tandis que les champs magnétiques sont étirés et amplifiés ; les relicts tracent donc les bords de choc, et les halos centraux corrèlent avec la turbulence.
   • Lecture par la théorie des fils d’énergie : Le bruit de fond tensoriel fournit des micro-fluctuations avec des queues non gaussiennes, ce qui abaisse les seuils de ré-accélération. La gravité tensorielle statistique sur-pondère les zones de bouillonnement, si bien que les relicts s’allongent préférentiellement le long de l’axe principal de lentillage.
   • Piste testable : Distribution conjointe de la position et de l’angle de polarisation des relicts par rapport à l’axe principal de lentillage ; prédictibilité des gradients d’indice spectral à partir des indicateurs de bouillonnement et du gain de gravité tensorielle statistique.
4. Morphologie : bimodalité, allongement, angle de torsion et multipôles
   • Phénomène/Problème : Les champs de convergence/cisaillement montrent souvent une bimodalité ou un allongement le long de l’axe de fusion, avec une excentricité mesurable, un angle de torsion et des multipôles d’ordre supérieur. Ces « finesses géométriques » sont très sensibles à la forme du noyau de modèle.
   • Lecture contemporaine : La géométrie résulte surtout de la superposition de deux halos de matière noire ; les contraintes fortes viennent de leurs positions relatives, du rapport de masse et de l’inclinaison sur la ligne de visée.
   • Lecture par la théorie des fils d’énergie : Des noyaux anisotropes de gravité tensorielle statistique sont plus « rigides » le long de l’axe de fusion, ce qui permet, avec une même famille de noyaux, d’expliquer simultanément l’excentricité, la torsion et le rapport d’intensité m = 2/m = 4.
   • Piste testable : Réutiliser les mêmes paramètres de noyau sur des fusions distinctes ; si le triplet « excentricité–torsion–rapport des multipôles » reste bien reproduit, le caractère directionnel du noyau se trouve confirmé.
5. Vitesses bimodales des galaxies membres et effet Sunyaev-Zel’dovich cinétique (clé des phases de fusion)
   • Phénomène/Problème : Les décalages vers le rouge des galaxies membres forment souvent deux pics, signe d’un « bras de fer » en cours ; l’effet Sunyaev-Zel’dovich cinétique, lorsqu’il est détecté, met en évidence un flux global sur la ligne de visée. La difficulté centrale consiste à diagnostiquer la phase (pré-passage, post-passage, frôlement, retour).
   • Lecture contemporaine : On combine les distributions de vitesses avec la morphologie lentillage/rayons X et la position des chocs ; on compare à des gabarits numériques pour inférer la phase.
   • Lecture par la théorie des fils d’énergie : À géométrie identique, la mémoire et le retard de fusion offrent une jauge supplémentaire : peu après le passage au péricentre, l’offset lentillage–rayons X doit être plus grand, puis décroître lentement selon une échelle de temps caractéristique.
   • Piste testable : À l’échelle d’un échantillon, utiliser en abscisse « séparation des pics de vitesse + position du choc » et vérifier si l’offset suit une trajectoire de relaxation resserrée avec une même échelle de temps.
6. Clôture énergétique : cinétique → thermique et non thermique (les comptes sont-ils justes ?)
   • Phénomène/Problème : Idéalement, la perte d’énergie cinétique doit se retrouver dans les canaux thermiques (rayons X et effet Sunyaev-Zel’dovich thermique) et non thermiques (radio). Certains systèmes divergent sur les rendements et l’« énergie manquante ».
   • Lecture contemporaine : Les écarts s’expliquent par la microphysique (viscosité, conduction, suppression magnétique, non-équilibre électron-ion) et la projection.
   • Lecture par la théorie des fils d’énergie : Traiter ces facteurs en a priori et imposer des contraintes de conservation au noyau effectif de gravité tensorielle statistique (par exemple, les profils le long des normales de choc fixent les sauts d’énergie). Si l’on doit ajouter de la liberté uniquement pour absorber l’écart, le modèle est jugé insuffisant plutôt que « réussi ».
   • Piste testable : Dans un même système, tenir une comptabilité unifiée qui mette en regard la puissance thermique (rayons X + effet Sunyaev-Zel’dovich thermique) et la puissance non thermique radio. Si modifier les paramètres du noyau rompt la clôture énergétique, il faut refondre le modèle.
7. Projection et dés-dégénérescence géométrique (le piège du « faux double pic »)
   • Phénomène/Problème : L’angle de visée et le paramètre d’impact influencent fortement la morphologie apparente ; un pic peut en mimer deux et un offset peut être surestimé ou sous-estimé. Le multimodal aide, mais pas toujours.
   • Lecture contemporaine : On combine champs de cisaillement de lentillage, profils rayons X/effet Sunyaev-Zel’dovich thermique et cinématique des galaxies membres pour briser les dégénérescences, en s’appuyant sur de larges statistiques.
   • Lecture par la théorie des fils d’énergie : Encourager le chaînage direct au niveau des observables : ne pas d’abord inverser le cisaillement en carte de masse figée. Faire tourner en parallèle une chaîne « CDM + relativité générale » et une chaîne « théorie des fils d’énergie (gravité tensorielle statistique + bruit de fond tensoriel) » sous une même vraisemblance, puis comparer cartes de résidus et critères d’information, plutôt que figer des a priori.
   • Piste testable : À couverture de ciel et charge paramétrique identiques, les deux chaînes poussent-elles les résidus au même plancher ?
8. Reproductibilité inter-échantillons et cohérence inter-échelles
   • Phénomène/Problème : Réussir sur un analogue du « Bullet Cluster » ne garantit pas la réussite sur des systèmes « El Gordo » ou d’autres géométries. Les inférences à bas décalage vers le rouge doivent rester compatibles avec les étalons du début de l’Univers, tels que le fond diffus cosmologique (CMB) et les oscillations acoustiques des baryons (BAO).
   • Lecture contemporaine : C’est un point fort majeur : un même cadre « matière noire + gravité » couvre le fond diffus cosmologique → oscillations acoustiques des baryons → grandes structures → fusions (malgré des débats de détail).
   • Lecture par la théorie des fils d’énergie : Confier au bruit de fond tensoriel la « règle » du début de l’Univers et à la gravité tensorielle statistique les réponses tardives, tout en conservant une règle non déplacée des premiers temps à aujourd’hui ; réutiliser les mêmes hyper-paramètres de gravité tensorielle statistique sur plusieurs systèmes de fusion.
   • Piste testable : Verrouillage de phase de la règle des oscillations acoustiques des baryons avec la croissance mesurée par lentillage faible sous des paramètres communs ; transférabilité d’un même noyau entre systèmes.

III. Atouts et limites de chaque approche

1. Physique contemporaine (ΛCDM et relativité générale)
2. Atouts
   • Une fermeture inter-échelles existe à grands traits : des pics acoustiques du fond diffus cosmologique et de la règle des oscillations acoustiques des baryons jusqu’au lentillage faible et aux taux de croissance en espace des redshifts, et jusque dans la géométrie et l’énergétique des fusions.
   • Maturité d’ingénierie : l’écosystème N-corps + (magnéto)hydrodynamique est riche, avec une gestion des paramètres et des erreurs standardisée.
   • Lecture intuitive de l’offset : la matière sans collisions traverse, le gaz collisionnel retarde — une image immédiatement lisible sur les cartes de fusion.

Limites/Défis

• Les empreintes temporelles (retards/mémoire de phase) ne sont pas des sorties natives ; les reproduire demande parfois des réglages géométriques.
• Cas extrêmes de dynamique et de morphologie (vitesses relatives très élevées, combinaisons particulières de multipôles) qui exigent parfois des a priori fins ou une sélection d’échantillon.
• Systématiques microphysiques : viscosité, conduction, suppression magnétique et non-équilibre électron-ion dans le milieu intra-amas peuvent enliser la « clôture énergétique » et l’estimation du nombre de Mach des chocs.

3. Théorie des fils d’énergie
4. Atouts
   • Conditionnement par l’événement et mémoire : la réponse gravitationnelle effective croît ou décroît avec le bouillonnement puis se détend, ce qui offre un récit direct de l’évolution de l’offset lentillage–rayons X.
   • Directionnalité et non-localité : une famille de noyaux anisotropes peut expliquer l’excentricité, la torsion et les multipôles en même temps ; elle prédit aussi des statistiques d’alignement entre normales de choc et axes principaux de lentillage.
   • Chaînes d’analyse plus « neutres » théoriquement au niveau des observables : confronter directement cartes de cisaillement, profils rayons X/effet Sunyaev-Zel’dovich et spectres radio limite les circularités dues aux a priori rigides.

Limites/Défis

• La transférabilité doit être établie par les données : les mêmes paramètres de noyau doivent fonctionner sur plusieurs fusions pour revendiquer une forme d’universalité.
• Les contraintes « dures » d’énergie et de transition doivent être explicites, afin d’éviter qu’un noyau effectif n’absorbe les systématiques par simple liberté paramétrique.
• L’emboîtement inter-échelles reste en construction : le bruit de fond tensoriel doit reproduire les détails du fond diffus cosmologique et transporter une règle non déplacée vers les oscillations acoustiques des baryons ; la gravité tensorielle statistique doit fermer avec les fonctions à deux points du lentillage faible et la croissance sous des paramètres communs.

IV. Engagements testables

• Offset et phase : Dans un même système, l’offset lentillage–rayons X varie-t-il de façon monotone avec les indicateurs de bouillonnement et présente-t-il une relaxation post-passage avec une échelle de temps caractéristique ?
• Alignement : Les normales de choc et l’orientation des relicts radio sont-elles significativement alignées avec l’axe principal de lentillage ?
• Comptes d’énergie : La puissance thermique (rayons X + effet Sunyaev-Zel’dovich thermique) et la puissance non thermique (radio) équilibrent-elles la perte d’énergie cinétique ?
• Réutilisation des paramètres : Un même jeu de paramètres reste-t-il valide sur plusieurs fusions ?
• Fermeture inter-échelles : La « règle acoustique » issue du fond diffus cosmologique se conserve-t-elle en phase jusqu’aux oscillations acoustiques des baryons, tandis que le lentillage faible (fonctions à deux points) et la croissance ferment sous les mêmes paramètres ?

Résumé

• Les fusions d’amas sont des laboratoires naturels pour tester la gravité cosmique et le contenu en matière.
• La physique contemporaine et la théorie des fils d’énergie peuvent souvent accommoder les mêmes données, mais reposent sur des philosophies différentes : l’une met au centre une masse invisible, l’autre un paysage dynamique conditionné par l’événement.
• Le choix entre les voies ne se fera pas au slogan, mais sur les mêmes jeux de données : moins d’hypothèses, moins de liberté, robustesse inter-échantillons et inter-échelles, et comptabilité énergétique équilibrée. Les huit empreintes et les cinq vérifications ci-dessus constituent une liste de contrôle partagée pour lecteurs et chercheurs.