Sur cette image provenant d'une des meilleures simulations de la formation des grandes structures de l'univers, des filaments de matière noire contenant des superamas de galaxies apparaissent clairement. On note aussi la présence de grands vides, parfois appelés vides cosmiques (cosmic voids en anglais). La barre blanche indique l'échelle des distances en mégaparsecs corrigée par le facteur h lié à la constante de Hubble. On estime que h est compris entre 0,65 et 0,70, la meilleure estimation en 2014 étant de 0,68. © Max Planck Institute for Astrophysics, Millennium Simulation Project

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On a vu les petites ondulations de la toile cosmique

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En s'effondrant gravitationnellement, la matière a produit et continue de produire un vaste réseau de filaments rassemblant galaxies et amas de galaxies sur des échelles de plusieurs centaines de millions d'années-lumière. Les astronomes commencent à voir la structure plus fine de cette toile cosmique entre les galaxies telle qu'elle était y a plus de 10 milliards d'années.

  • Le gaz d'hydrogène et d'hélium produit par le Big Bang s'effondre gravitationnellement au cours du temps et sous l'effet de la matière noire en formant une véritable toile cosmique.
  • La mise en place à grande échelle de cette toile est assez bien comprise mais les choses sont moins claires à petites échelles, malgré l'aide des simulations sur superordinateurs.
  • Des astrophysiciens ont utilisé les quasars pour observer et mesurer les fluctuations de densité de matière dans cette toile entre les galaxies.

Comment sont nées les étoiles et les galaxies ? Certainement à partir de zones de surdensités dont l'origine se trouve dans les conditions initiales du Big Bang et qui se sont effondrées gravitationnellement. Ces zones de surdensités, telles qu'elles étaient il y a environ 13,8 milliards d'années, sont repérables dans les petites fluctuations de températures au sein du rayonnement fossile. Mais elles sont si faibles, traduisant seulement de minuscules variations de densité, qu'elles n'auraient pas pu donner naissance aux galaxies ni aux grandes structures observées aujourd'hui. C'est pour cette raison que les astrophysiciens sont conduits à postuler l'existence de la matière noire froide, insensible à la pression du futur rayonnement fossile et présente en plus grande quantité que la matière baryonique normale. Ses propres fluctuations de densité lui ont permis de s'effondrer gravitationnellement plus rapidement et, finalement, d'accélérer l'effondrement de la matière normale.

Ces mécanismes d'effondrements sont étudiés aujourd'hui sur des modèles divers, mais le plus souvent avec matière noire. Le début de cet effondrement peut se traiter par des équations simples, linéaires, mais vient ensuite une phase fortement non linéaire réservées aux méthodes numériques sur superordinateurs, comme le prévoyait il y a presque 70 ans le grand physicien Enrico Fermi.

Les résultats d'une simulation montrant la structuration de la répartition de la matière il y a environ 11,5 milliards d'années. Les côtés du cube représentent 24 millions d'années-lumière de diamètre. © J. Oñorbe, MPIA

L'hydrogène intergalactique à la lumière des quasars

Ces modèles numériques reproduisent de façon assez spectaculaire les grandes structures observées, c'est-à-dire les filaments où se sont graduellement concentrés les galaxies et les amas de galaxies. Mais les résultats obtenus sont moins bons, voire mauvais, à l'échelle des galaxies, à tel point que certains suspectent qu'il faut changer les lois de la gravitation newtonienne et les remplacer par le cadre théorique de la théorie Mond.

D'autres sont plus conservateurs et pensent que les difficultés rencontrées avec le modèle de la matière noire froide sont dus à un manque de connaissance. Elles seront surmontées, expliquent-ils, lorsque seront mieux compris le comportement de la matière normale et de son rayonnement, par exemple lors des explosions de supernovae, et celui des trous noirs supermassifs accrétant de la matière et rayonnant sous forme de quasars.

Toutefois, il faudrait aussi pour cela mieux connaître les fluctuations de densité de la matière normale, donc essentiellement l'hydrogène et l'hélium qui étaient présents entre les galaxies quelques milliards d'années après le Big Bang.

C'est justement ce qu'est parvenue à faire une équipe d'astrophysiciens en mesurant ces fluctuations à des échelles de l'ordre de 100.000 années-lumière, comme les chercheurs l'expliquent dans un article déposé sur arXiv.

Des quasars avec des décalages spectraux et des positions sur la voûte céleste légèrement différentes voient leurs rayonnements absorbés par la distribution d'hydrogène intergalactique entre nous et eux. Les creux observés dans leurs spectres révèlent la présence de filaments dont les tailles sont de l'ordre de grandeur des grandes galaxies. © J. Oñorbe, MPIA

Les fluctuations de densité observées confirment les modèles

Pour réussir cet exploit les astrophysiciens ont mobilisé la puissance grandissante de l'intelligence artificielle à qui ils ont appris à débusquer des paires de quasars proches sur la voûte céleste et qui étaient des noyaux actifs de galaxies il a environ 11 milliards d'années. Une fois repérées dans les volumineux catalogues des grandes campagnes d'observations à l'aide d'algorithmes performants, ces paires ont été étudiées de plus près avec les grands télescopes terrestres comme ceux du W. M. Keck Observatory sur le Mauna Kea à Hawaï.

Entre les quasars de ces paires sont apparues de petites différences de rayonnement, dues à des absorptions inégales. Les astrophysiciens en ont déduit les fluctuations primordiales de densité d'hydrogène à l'échelle intergalactique.

Les cosmologistes ont été enthousiasmés par les résultats obtenus. Ils coïncidaient avec les dernières prédictions des superordinateurs, ce qui leur confirmait qu'ils étaient sur le bon chemin pour mieux comprendre l'évolution et l'organisation de l'univers observable dans le cadre du modèle cosmologique standard au cours des premiers milliards d'années de son existence.

Playlist : tout savoir sur la cosmologie avec Aurélien Barrau  L’univers recèle de nombreux mystères et phénomènes passionnants. Aurélien Barrau, physicien théoricien, en aborde quelques-uns dans cette playlist réunissant toutes les vidéos de son interview.