Le gaz chaud des amas de galaxies brille dans le domaine des rayons X, et une part importante de cette lumière provient d'atomes de fer ayant perdu de nombreux électrons. Ces atomes laissent dans le spectre des raies brillantes caractéristiques, semblables à des empreintes digitales. Les astronomes les utilisent pour déterminer la température, la densité et le mouvement du gaz. Mais la précision avec laquelle ces raies correspondent aux modèles théoriques restait incertaine.
Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont utilisé les données du satellite japonais à rayons X Resolve et ont examiné 17 amas de galaxies. Plutôt que d'ajuster l'ensemble du spectre à un modèle préétabli, ils ont isolé des raies individuelles du fer — par exemple celles des ions Fe25+ et Fe26+ — et mesuré leur luminosité directement. Cette approche a permis de vérifier dans quelle mesure les raies réelles concordent avec les calculs.
Il s'est avéré que dans certains amas à noyau froid et dense, le rapport des luminosités de deux raies (w et z) est environ 20% inférieur aux prédictions théoriques. De plus, la raie w apparaît plus large que z. Ce comportement peut s'expliquer par la diffusion résonnante : les photons de la raie w sont absorbés et réémis par les atomes de fer en chemin vers nous, ce qui fait qu'une partie de la lumière est déviée. Une autre déviation a été trouvée dans le rapport des raies y et x — il diffère légèrement du modèle, ce qui suggère une contribution des processus de recombinaison, lorsque des électrons libres sont capturés par les ions.
Un intérêt particulier a été porté à la paire de raies Lyα1 et Lyα2. Selon la théorie, leurs luminosités devraient être dans un rapport de 2 pour 1, mais dans les données de bonne statistique, le rapport est plus proche de 0.55 que de 0.5. Ce léger excès peut s'expliquer par la contribution d'une transition dipolaire magnétique, non prise en compte dans l'une des bases de données atomiques. Curieusement, les amas dont la température est d'environ 7 millions de degrés (7 keV) montrent plus souvent un rapport supérieur à 0.55. Bien que la significativité statistique soit encore faible, c'est une indication que la mesure précise des raies du fer pourrait devenir un outil sensible pour étudier des processus atomiques supplémentaires — de la recombinaison diélectronique à la polarisation du rayonnement.
La diffusion résonnante dans les amas de galaxies ressemble à un brouillard : la lumière d'une raie brillante est partiellement diffusée sur les côtés, si bien que nous la voyons plus faible qu'elle ne devrait être.