Un groupe fossile est un système galactique dans lequel certaines ou toutes les galaxies composantes ont fusionné pour former une seule galaxie elliptique. Ce corps a une masse et une luminosité aux rayons X comparables à la somme de ses composants et est entouré d’un nuage de gaz chaud s’étendant sur plusieurs rayons galactiques. Tous les membres du système non absorbés sont généralement distants et de bien moins grande ampleur que le membre dominant. Il a été suggéré que ces systèmes se sont formés dans un passé très lointain et représentent l’étape finale de l’évolution d’un groupe galactique, d’où le terme fossile.
La plupart des galaxies, y compris la Voie lactée, font partie d’un groupe local. Dans les groupes les plus compacts, les galaxies sont suffisamment proches pour projeter que la gravité provoquera leur fusion éventuelle en un seul corps, centré dans un halo de matière noire. C’est une matière qui n’émet ni ne réfléchit de rayonnement, mais peut être détectée par ses effets gravitationnels. La présence de matière noire est déduite des vastes nuages de gaz émettant des niveaux élevés de rayonnement X qui entourent généralement ces systèmes. On pense qu’un tel processus formera un groupe fossile au cours de quelques milliards d’années.
Des observations de groupes galactiques qui semblent être en train de former un groupe fossile ont été faites. Ceux-ci ont renforcé l’idée que c’est le résultat commun pour les systèmes d’une certaine densité et la seule méthode de formation de groupes fossiles. Des recherches supplémentaires ont cependant montré que la formation de fossiles est dans des secteurs moins densément peuplés. De plus, des groupes de fossiles massifs ont été examinés qui n’auraient pas pu résulter de modèles communs de friction dynamique au sein de la vie connue de l’univers.
Le groupe fossile le plus massif connu a été étudié à l’aide des observatoires spatiaux à rayons X XMM-Newton et Chandra ainsi que des télescopes infrarouges au sol. Sa galaxie elliptique est 500 milliards de fois plus lumineuse que le soleil, a une masse de plus de 300 billions de masses solaires et repose dans un halo de gaz surchauffé de trois millions d’années-lumière de diamètre. Selon la conception acceptée de la formation des groupes fossiles, une structure de cette taille n’aurait pas dû être possible dans le temps disponible.
Une théorie alternative de la formation a été proposée où les effets du frottement dynamique agissant sur les corps se déplaçant sur des orbites circulaires autour du centre de masse sont remplacés par un modèle asymétrique. Si la masse est tirée vers le centre le long de filaments ou de structures galactiques filiformes, des forces connues peuvent expliquer la formation à un rythme beaucoup plus rapide. Les similitudes entre les galaxies elliptiques des groupes fossiles et les galaxies brillantes des grands amas suggèrent un autre processus de formation. Le processus final de formation des groupes fossiles pourrait être la phase initiale de formation des groupes de grappes.