Simulation numérique d’un amas de galaxie tel que ceux utilisés par les astrophysiciens pour mesurer la masse de l’univers. © Rychard Bouwens, ACS Team, Nasa
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Deux tiers de l’univers sont constitués d’énergie noire

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Des scientifiques ont réussi à obtenir l'estimation la plus précise jamais réalisée de la quantité totale de matière dans l'Univers, en calculant la masse de centaines d'amas de galaxies. Un procédé vieux de 90 ans et pourtant plus fiable que les estimations purement théoriques.

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[EN VIDÉO] Qu’est-ce que la matière noire ?  La matière noire est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique. Si les particules qui la constituent existent bien, elles devraient nous permettre de comprendre l'origine des galaxies. Mais leur nature reste un mystère. Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous explique cette question très ouverte. 

Les astrophysiciens savent depuis longtemps que l'Univers se compose d'environ 5 % de matière constituée d'atomes, que l'on peut observer, et d'environ 27 % de matière noire, une mystérieuse forme de matière qui expliquerait l'attraction gravitationnelle « manquante ». Les 68 % restants seraient constitués d'une non moins mystérieuse « énergie noire », une force répulsive opposée à la gravité et qui expliquerait l'expansion de l'Univers.

Une équipe d'astrophysiciens confirme aujourd'hui ces chiffres et apporte l'estimation la plus précise de la quantité de matière dans l'univers : 31,5 % (plus ou moins 1,3 %), les 68,5 % restants étant donc de l'énergie noire. « C'est la continuation d'un long processus qui a permis depuis 100 ans de progressivement devenir de plus en plus précis », se félicite à l'AFP Gillian Wilson, la coautrice de l'étude publiée lundi dans The Astrophysical Journal.

31,5 % de l’Univers est constitué de matière, dont environ 80 % est de la matière noire invisible. Mohamed Abdullah, UC Riverside

L’équivalent de six atomes d’hydrogène par mètre cube

« Pour mettre cette quantité de matière en contexte, si toute la matière de l'Univers était répartie uniformément dans l'espace, cela correspondrait à une densité de masse moyenne égale à seulement six atomes d'hydrogène par mètre cube, explique Mohamed Abdullah, principal auteur de ces travaux. Cependant, puisque nous savons que 80 % de la matière est en fait de la matière noire, la majeure partie de cette matière n'est pas constituée d'atomes d'hydrogène mais plutôt d'un type de matière que les cosmologistes ne comprennent pas encore ».

Pour prévenir à ce résultat, les chercheurs se sont appuyés sur une technique inventée dans les années 1930 par l'astronome suisse Fritz Zwicky, un des pionniers de la cosmologie qui fut le premier à faire l'hypothèse de l'existence de la matière noire. Il avait remarqué que la masse gravitationnelle des galaxies de l'amas Coma ne suffisait pas à les maintenir ensemble ; il avait alors suggéré l'existence d'une matière invisible. Sa théorie jugée trop disruptive tombera aux oubliettes jusqu'en 1970 et sera remise en avant avec l'astronome américaine Vera Rubin qui apportera une observation plus précise.

Mesurer la masse des amas de galaxies

L'étude publiée aujourd'hui reprend donc ce procédé, qui consiste à observer les orbites des galaxies à l'intérieur des amas. En calculant la force gravitationnelle de chaque amas, il est possible d'en déduire leur masse et donc la quantité d'énergie noire. La difficulté est de mesurer précisément la masse des amas de galaxies, étant donné qu'ils sont souvent trop sombres pour être détectés par les télescopes.

Pour contourner ce problème, les scientifiques ont créé un outil baptisé GalWCat19 cataloguant 1.800 amas de galaxies à partir du Sloan Digital Sky Survey (SDSS, un relevé d'objets célestes établi à partir des observations du télescope de l'observatoire d'Apache Point au Nouveau-Mexique). Ils ont ensuite comparé un échantillon de 756 amas avec celui des simulations numériques pour obtenir un résultat le plus proche possible de la réalité.

« Le grand avantage de cette technique est qu'elle permet de déterminer la masse de chaque amas individuellement plutôt que de se baser sur des méthodes statistiques indirectes, explique Anatoly Klypin, co-auteur de l'article. Nos observations sont en ligne avec celles obtenues par d'autres évaluations théoriques basées sur le fond diffus cosmologique, l'oscillation acoustique baryonique et les supernovae»

À quoi va ressemble la mort de l’univers ?

À quoi va servir cette nouvelle évaluation ? « La quantité de matière noire et d'énergie noire nous renseigne sur le destin de l’Univers », explique Gillian Wilson. L'hypothèse dominante est celle de la mort thermique de l’univers (Big Freeze) où les étoiles puis les galaxies transforment une partie de leur masse en énergie, ce qui contribue à réchauffer l'espace.

Lorsque la température de l'univers deviendra uniforme, il sera donc impossible pour un astre de se former. Une échéance que nous devrions connaître dans 20 milliards d'année environ. Il n'en reste pas moins que la matière noire, comme l'énergie noire, n'a jamais pu être observée d'aucune manière que ce soit et reste pour l'instant au stade de la théorie.

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