Univers : la matière cachée débusquée



Cet article est issu du magazine Sciences et Avenir – La Recherche n°888 daté février 2021.

La matière cachée de l’Univers… ne l’est plus ! Elle vient d’être débusquée, dissimulée dans des prises de vues du cosmos vieilles de trente ans analysées par une équipe de l’Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/ université Paris-Saclay). Disons-le d’emblée : la matière cachée n’a rien à voir avec la fameuse “matière noire”, qui compose environ un quart de l’Univers et dont les chercheurs ignorent toujours la nature. Elle fait partie de la matière dite ordinaire, composée de neutrons et de protons, la base de tous les atomes. “Elle existe essentiellement sous deux formes, détaille l’astrophysicienne Nabila Aghanim, qui a participé à l’étude publiée en novembre 2020 dans la revue Astronomy & Astrophysics. Une forme ‘condensée’ : les étoiles, les trous noirs, les planètes… Et une forme ‘diluée’ : du gaz, de l’hydrogène essentiellement. Lorsque l’on observe l’Univers très lointain, lorsqu’il était âgé d’environ 370.000 ans, la matière ordinaire semble au complet. Mais lorsque l’on regarde une tranche située plus près de nous, on s’aperçoit qu’environ 40 % se sont évaporés.” Et ce sont précisément ces 40 % qui jouaient à cache-cache avec les chercheurs depuis plusieurs décennies que l’équipe française vient enfin de mettre au jour.

Un coup de théâtre en 2018

Pour mener leur enquête, les scientifiques disposaient d’un indice : chercher plutôt du côté de la forme diluée. L’explication se trouve en effet dans la structure même de notre Univers, sur des échelles gigantesques, là où la Voie lactée n’est plus qu’un point perdu parmi des milliards d’autres. Depuis déjà deux décennies environ, les cosmologistes connaissent l’allure générale du cosmos grâce à des simulations informatiques. Celles-ci reproduisent son évolution, de sa naissance à aujourd’hui, à partir de la composition en matière et en énergie de l’Univers primordial, de son taux d’expansion et de quelques autres paramètres. Résultat : le saisissant spectacle d’une “toile cosmique” où des amas de milliers de galaxies constituent des nœuds reliés entre eux par des filaments, eux-mêmes tissés de galaxies. Ces filaments peuvent atteindre 300 millions d’années-lumière, des dimensions que l’on peine à se représenter, en comparaison du diamètre déjà gigantesque de notre galaxie : 100.000 années-lumière.

Mais ces simulations, qui donnent la “géographie” de l’Univers, renseignent aussi sur son “peuplement”, en quelque sorte. Elles indiquent qu’au fil du temps, le gaz d’hydrogène et d’hélium qui n’a pas fini dans les amas s’est concentré dans les filaments galactiques. C’est donc là que les chercheurs ont décidé de traquer la matière cachée. Problème : ce gaz ne se laisse pas voir facilement ! Certes, sa température (entre 100.000 et 10 millions de degrés) devrait en théorie le faire briller dans le domaine des rayons X, mais comme il est très dilué, les chercheurs ont longtemps douté que cette émission ait vraiment eu lieu… Jusqu’à un coup de théâtre, en 2018. Une première observation est alors rapportée par le physicien italien Fabrizio Nicastro et son équipe de l’Institut national d’astrophysique, à Rome. Elle a lieu au sein d’un filament galactique éclairé par un quasar, une source de lumière très intense placée derrière lui. La lumière est en partie absorbée par le contenu du filament. En observant les longueurs d’onde prélevées, l’équipe italienne déduit la présence du gaz d’hydrogène. Une belle observation… mais indirecte, et dans un seul filament : l’équipe n’a pas vu d’émission X à proprement parler.

Des millions de prises de vue compilées

“Notre objectif était donc d’observer le gaz directement, et dans un grand nombre de filaments, reprend Nabila Aghanim. Il a d’abord fallu les localiser, afin de savoir où chercher. Pour cela, nous avons utilisé les données du Sloan Digital Sky Survey, le plus précis des relevés d’objets célestes (qui vient d’être mis à jour, ndlr).” Une fois les filaments localisés (environ 25 000), “nous avons réalisé une première mesure indirecte du gaz en utilisant ce que nous appelons le fond diffus cosmologique”, renchérit l’astrophysicien Hideki Tanimura, membre de l’équipe de l’Institut d’astrophysique spatiale (CNRS/université Paris-Saclay). Constitué par la plus ancienne lumière émise – soit 370.000 ans après le Big Bang -, le fond diffus cosmologique tapisse en quelque sorte le fond de l’Univers. “Tout ce que l’on peut voir dans l’espace se trouve nécessairement devant, y compris le gaz des filaments”, poursuit Hideki Tanimura. En 2019, l’équipe parvient ainsi à saisir “l’ombre” formée par ce gaz sur le fond diffus, ce que l’on appelle l’effet Sunyaev-Zel’dovich. Un premier résultat très encourageant ! Ne restait plus alors qu’à passer de l’ombre… à la lumière X. Pour cela, l’équipe a fait preuve d’ingéniosité. “Nous ne savions pas si l’émission était perceptible par les télescopes à rayons X et nous ne pouvions pas recourir à de nouvelles observations, trop ‘chronophages’ : l’équipe de Fabrizio Nicastro a ainsi utilisé environ dix-huit jours de temps de télescope pour finalement ne trouver qu’un seul filament à exploiter, se souvient Nabila Aghanim . Alors nous avons eu l’idée de chercher cette émission en compilant des milliers de prises de vue du télescope allemand ROSAT (désorbité en 2011,ndlr) correspondant aux régions de l’Univers où l’on trouve des filaments. Et nous avons pu ainsi observer plus de 15.000 d’entre eux !”. L’équipe fait alors feu de tout bois pour “empiler” les images issues d’une même région. Le principe de la mesure est simple : l’émission étant très faible, peu de photons sont produits. De plus, ils sont noyés dans le bruit parasite ambiant, un peu comme celui brouillant une émission radio. Mais en additionnant les images, les chercheurs sont parvenus à cumuler les photons X, à renforcer le signal mais aussi à diminuer le bruit. En effet, il est par nature aléatoire. En empilant ce bruit, on obtient une valeur moyenne se rapprochant de 0. “C’est un travail considérable sur les données. Pour trouver et analyser les filaments, nous avons eu recours à des algorithmes de reconnaissance de formes, à de la statistique, etc. Cela afin de retirer toutes les sources parasites de rayons X, comme les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies… “, précise Hideki Tanimura.

Comment s’est formée la matière cachée ?

Le gaz d’hydrogène et d’hélium formant la matière “cachée” est presque aussi vieux que l’Univers. L’hélium a commencé à se former environ trois minutes après le Big Bang. L’Univers avait alors l’allure d’une “soupe de particules” ultrachaude composée de 12 % de neutrons et 88 % de protons. Ce déséquilibre tient en partie au fait que le neutron est instable : au bout de 880 secondes en moyenne, il se transforme en proton. “Pour le stabiliser, il faut l’assembler avec un proton, décrit Cyril Pitrou, physicien à l’Institut d’astrophysique de Paris. Cela se produit trois minutes après le Big Bang, lorsque la température de l’Univers passe sous le milliard de degrés. Un proton réagit avec un neutron pour former un noyau de deutérium. Puis d’autres types de réactions s’enchaînent jusqu’à ce que presque tous les neutrons finissent au sein de noyaux d’hélium 4 (isotope de l’hélium, ndlr) “. C’est la nucléosynthèse primordiale, à distinguer de la “stellaire” qui se déroule bien plus tard, au cœur des étoiles. Cette étape ne dure que deux minutes à l’issue desquelles l’Univers se trouve composé de noyaux d’hélium 4 (24 %) et des protons (76 %), qui sont aussi les noyaux des atomes d’hydrogène, et enfin une fraction de deutérium (isotope de l’hydrogène). L’étape suivante se produit 370.000 ans plus tard, lorsque l’Univers n’est plus qu’à 3000 °C. Les électrons, jusqu’ici libres, vont se lier aux noyaux pour former les atomes. Leur capture libère les photons qui ne pouvaient pas voyager librement. Ainsi apparaît la première lumière de l’Univers, ce que l’on appelle le fond diffus cosmologique. Son étude approfondie, notamment grâce aux observations du satellite Planck, a permis de mesurer précisément la proportion de matière primordiale présente à ce moment-là. Et de comparer avec les prévisions théoriques, fondées sur l’étude des réactions entre noyaux. Ce qui peut révéler quelques surprises, comme vient de le pointer Cyril Pitrou dans une étude publiée le 23 novembre 2020 sur le site Arxiv. “Les dernières mesures précises des paramètres de l’une des trois réactions fondamentales de la nucléosynthèse primordiale aboutissent à une quantité de matière ordinaire un peu moins importante que celle observée dans le fond diffus cosmologique. Les mêmes mesures devront être faites sur les deux autres réactions. Mais si le désaccord persistait, il faudrait trouver l’origine de ce déficit de matière ordinaire.”

Reste encore à recenser tous les réservoirs de gaz

Et c’est ainsi que la faible lueur du gaz a fini par briller sur ces images, sur une tranche d’Univers située entre 2,6 et 7,1 milliards d’années-lumière de la Terre ! Peut-on dire pour autant que le mystère de la matière cachée est éclairci ? Pas tout à fait. Car il reste à quantifier ce gaz. “Pour cela, il faudra observer une portion d’Univers plus grande, conclut Nabila Aghanim. Nous devrons aussi diminuer encore le bruit parasite afin de mieux ‘voir’ ce gaz dont nous ignorons précisément la densité et la température. Sans compter que notre étude a porté uniquement sur les filaments galactiques alors que du gaz a également été observé, à des échelles plus petites, dans les ‘ponts de matière’ qui relient les amas de galaxies. Il faut donc recenser tous ces réservoirs. ” Si la matière cachée a été débusquée, elle attend donc encore d’être comptée…

Hervé Dole, professeur à l’Institut d’astrophysique spatiale d’Orsay : “Ce résultat valide les modèles d’évolution de l’Univers”

“La présence de la matière ordinaire cachée dans les filaments était attendue : les simulations l’avaient prévue, et des observations indirectes avaient déjà eu lieu, mais de manière ponctuelle. Or en cosmologie, il est difficile de passer de quelques cas, parfois très particuliers ou bien découverts par hasard, à une généralité. L’équipe de Nabila Aghanim y est parvenue en utilisant une méthode bien connue, à la fois simple et très puissante : l’empilement d’images, que j’avais moi-même utilisé pour mesurer le rayonnement infrarouge des galaxies. Ils ont pris en compte un très grand nombre de données ce qui a conduit à ce travail très ‘propre’, avec un signal qui ressort nettement. On franchit incontestablement une étape. Et c’est un soulagement – ou un regret c’est selon – car cela valide les modèles d’évolution de l’Univers, mais aussi les déductions quant à sa composition basées sur le fond diffus cosmologique.”

 



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