Les protons perdus du Big Bang ont-ils enfin été retrouvés ? Ici, projection à grande échelle centrée sur l’amas de galaxies le plus massif dans la simulation Illustris. Elle montre la distribution de la matière noire en filaments (bleu, violet et pourpre), laquelle interagit gravitationnellement avec la matière ordinaire et favorise la formation des amas de galaxies. Les enveloppes de gaz teintées de rouge, rose ou orange sont principalement créées par l’explosion de supernovae ou les jets des trous noirs supermassifs. © Illustris Collaboration

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Les protons perdus du Big Bang enfin retrouvés ?

ActualitéClassé sous :cosmologie , baryon , proton

Une partie des protons et des neutrons présents lors du Big Bang manquaient à l'appel, d'après la théorie de la nucléosynthèse primordiale et les observations. Mais les scientifiques sont de plus en plus convaincus de les avoir trouvés, cachés sous forme de noyaux légers, très chauds mais très peu lumineux, dans des filaments de matière, entre les amas de galaxies.

La théorie de la nucléosynthèse primordiale nous permet d'expliquer les rapports d'abondance de l'hélium et de l'hydrogène dans les étoiles, en moyenne. C'est d'ailleurs un des piliers de la théorie du Big Bang. L'estimation des abondances de deutérium dans les galaxies est sensible à la densité de matière baryonique dans le cosmos observable ; elle est, elle aussi, un sous-produit de cette nucléosynthèse.

C'est pour cette raison que l'on sait qu'il n'y a pas assez de protons et de neutrons dans l'univers pour rendre compte de la masse de la matière noire qui, si elle existe, est forcément formée de particules qui n'ont jamais été observées en laboratoire ou dans les rayons cosmiques (si l'on excepte une petite portion de la matière noire qui est formée des neutrinos peu massifs du modèle standard).

Toutefois, lorsque l'on fait le bilan des protons (et des neutrons) qui sont présents dans les étoiles des galaxies, la matière du milieu interstellaire, et même celle formant le gaz chaud intergalactique qui rayonne en rayons X, le compte n'y est pas. C'est l'énigme de la matière baryonique manquante (qui ne doit pas être confondue avec celle de la matière noire ou encore celle de l'antimatière cosmologique manquante). En fait, environ 30 % de la matière baryonique manque à l'appel (10 % se trouve dans les galaxies et 60 % dans les amas de galaxies, entre celles-ci).

Deux diagrammes : l'un, à gauche, montrant la composition de l'univers observable (dark energy, énergie noire : 70 % ; dark matter, matière noire : 25 % ; ordinary matter, matière ordinaire : 5 %) et l'autre, à droite, montrant la composition de la matière baryonique, en prenant en compte les résultats de l'étude détaillée ici (hot intergalactic gas, gaz intergalactique chaud : jusqu'à 40 % ; cool intergalactic gas, gaz intergalactique froid : 28 % ; warm intergalactic gas, gaz intergalactique tiède : 15 % ; stars in galaxies, étoiles dans les galaxies : 7 % ; hot gas in galaxies, gaz chaud dans les galaxies : 5 % ; hot gas in galaxy clusters, gaz chaud dans les amas de galaxies : 4 % ; cold gas in galaxies, gaz froid dans les galaxies : 1,8 %). Protons et neutrons ne sont pas majoritairement dans les galaxies et encore moins sous forme d'étoiles. © ESA

Des filaments de matière entre les amas de galaxies

Les astrophysiciens pensent savoir depuis quelque temps déjà où se trouvent ces baryons. D'ailleurs, ces dernières années, les observations se font de plus en plus convaincantes et précises pour confirmer leurs soupçons, comme Futura l'expliquait déjà dans un précédent article (voir ci-dessous).

Une équipe internationale de chercheurs, comme leurs collègues avant eux, a utilisé les observations dans le domaine des rayons X fournies par le télescope en orbite XMM Newton, de l'ESA, pour mettre indirectement en présence, entre les amas, des filaments de matière baryonique chaude portée à environ un million de degrés. Dirigée par Fabrizio Nicastro, de l'Italian Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) et du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, cette équipe vient de publier dans Nature un article disponible librement sur arXiv.

Une vision d'artiste de la détection des baryons manquants du Big Bang sous forme de raies d'absorption dans la lumière X issue d'un quasar passant à travers des filaments de matière inter-amas et observée par XMM Newton. © ESA, Princeton University, Renyue Cen

Des baryons manquants du Big Bang trahis par de l'oxygène

La méthode de détection a consisté à pointer XMM Newton en direction de la source 1ES 1553, distante de plus de 7 milliards d'années-lumière de la Voie lactée. C'est un objet BL Lacertae, c'est-à-dire un type de galaxies actives possédant un quasar, un noyau actif nommé d'après l'objet typique BL Lacertae (le noyau actif d'une galaxie située dans la direction de la constellation boréale du Lézard et découvert en 1929).

En traversant des filaments de matière entre les galaxies et les amas de galaxies, la lumière de 1ES 1553 a produit des raies d'absorption en interagissant avec la matière des amas, en l'occurrence des atomes d'oxygène ionisés. Bien que n'étant pas les constituants principaux de ces filaments, ces atomes ont signalé indirectement la présence des baryons manquants et, surtout, ont permis d'évaluer leur quantité présente.

Cette détection est en bon accord avec les modèles prédisant que ces baryons sont bien dans ce genre de filaments, ce qui renforce la conviction des astrophysiciens pensant que l'énigme des protons manquants du Big Bang est résolue.

  • La théorie de la nucléosynthèse primordiale nous permet d'estimer la part de la densité de l'univers sous forme de baryons, essentiellement des protons, en mesurant la quantité de deutérium présente dans le cosmos.
  • Les observations indiquent que, sur les 5 % de cette densité sous forme de matière normale, une bonne partie n'est pas sous forme de galaxies et de gaz dans les amas de galaxies.
  • Depuis quelque temps, grâce aux simulations numériques de la formation des grandes structures, les astrophysiciens pensent que la fraction manquante doit se trouver dans des filaments très peu lumineux de gaz chaud, entre les amas de galaxies.
  • Des observations de plus en plus précises et solides, notamment avec les rayons X, accréditent fortement cette hypothèse.
Pour en savoir plus

L'énigme des protons manquants bientôt résolue ?

Article de Laurent Sacco publié le 04/12/2015

Les protons perdus du Big Bang sont bien situés dans des filaments de gaz chauds, entre des amas de galaxies. Les observations menées par les satellites XMM-Newton et Planck le suggéraient déjà depuis huit ans et une équipe internationale d'astrophysiciens vient enfin de le confirmer.

La quantité de protons et de neutrons de l'univers observable peut être estimée depuis des dizaines d'années à partir de la mesure de l'abondance des noyaux de deutérium dans le cosmos. Cette surprenante performance est rendue possible grâce aux succès de la théorie du Big Bang, plus précisément de l'un de ses trois principaux piliers : les équations de la nucléosynthèse primordiale. Or, cette mesure et ces équations nous indiquent qu'il existe deux fois plus de protons et de neutrons dans l'univers que ceux détectés sous forme d'étoiles et de nuages de gaz dans les galaxies et même dans les amas de galaxies.

Une partie de la matière normale issue du Big Bang, qui constitue seulement environ 5 % de la densité du cosmos, devrait donc se trouver quelque part, mais où ? Cette énigme des protons et neutrons manquants s'ajoute à celles de la nature de la matière noire (voir notre dossier Les secrets de la matière noire), de l'énergie noire (Les mystères de l'énergie noire) et de l'absence de l'antimatière.

En bleu-violet, ces images de la simulation Illustris TNG montrent des régions de faibles intensités de champs magnétiques le long des filaments de la toile cosmique, tandis que l'orange et le blanc indiquent des régions avec des champs magnétiques significativement plus intenses à l'intérieur des galaxies. La région affichée provient de la simulation TNG100 et a une largeur de 10 mégaparsecs. © TheHITSters, Кот Волос

Des baryons manquants ultra-chauds trahis par les rayons X

Les astrophysiciens et cosmologistes ont toutefois rapidement proposé une solution à cette énigme il y a plusieurs décennies. Cette matière baryonique normale se trouverait peut-être dans le milieu intergalactique, plus précisément dans le Warm-Hot Intergalactic Medium, ou Whim. Elle aurait été attirée par la force de gravitation des filaments de matière noire connectant les amas de galaxies, qui eux-mêmes se regroupent sous forme des structures filamenteuses découvertes depuis quelques dizaines d'années.

Ces filament sont bien prédits par les simulations numériques tentant de reproduire la formation des grandes structures de l'univers observable. Malheureusement, cette partie de la toile d'araignée qui serait constituée de matière normale est très difficile à détecter. La composante de matière noire, dominante, a été mise en évidence dans l'un d'eux. Quant aux baryons, leur densité devrait y être bien plus faible, de sorte que leur détection doit y être ardue. Cependant, les températures de protons censément très élevées, de 100.000 à des dizaines de millions de degrés, doit faciliter l'observation. En effet, un gaz de matière normale aussi chaud doit émettre des rayons X. D'ailleurs, des observations réalisées avec le satellite de l'ESA XMM-Newton laissaient deviner dès 2008 - bien que de façon encore non concluante - l'existence de tels filaments de matière normale.

Il y a trois ans, un autre satellite européen, Planck, semblait bien avoir vu, lui aussi, des protons manquants sous forme de filaments entre amas de galaxies, en l'occurrence entre les amas Abell 399 et Abell 401 (voir l'image ci-dessous). Les membres de la collaboration Planck avaient pour cela mobilisé l'un des phénomènes les plus prometteurs pour faire progresser la cosmologie : l'effet Sunyaev-Zel’dovich.

Planck observe un pont de gaz chaud entre les amas de galaxies Abell 399 et Abell 401, vus dans le domaine optique par des télescopes au sol et par effet Sunyaev-Zel’dovich (en orange). Ils sont situés à environ un milliard d’années-lumière de nous. Les chercheurs analysant les données de Planck concernant Abell 399 et Abell 401 ont détecté le signal individuel émis par le gaz de chaque amas ainsi qu'un « pont » de gaz reliant les deux qui s’étend sur une dizaine de millions d’années-lumière (sur l'image, le « pont » de gaz correspond au filament orange clair situé entre les deux régions en orange vif). © ESA-consortia, HFI, LFI

Une clé pour comprendre l'évolution chimique de l'univers

Aujourd'hui, une équipe internationale d'astrophysiciens, dont certains sont membres du laboratoire d'Astrophysique de Marseille (CNRS, université d'Aix-Marseille), du centre de Recherche astrophysique de Lyon (CNRS, université Claude-Bernard Lyon 1, ENS de Lyon) et d'autres de l'université de Genève (Unige) et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) enfoncent le clou.

Comme ils l'expliquent dans un article publié dans Nature et disponible en accès libre sur arXiv, le télescope spatial XMM-Newton leur a permis d'obtenir des observations très convaincantes de la présence des baryons manquants dans des filaments de matière, entre les amas galactiques donc.

Pour cela, les chercheurs ont étudié de plus près l'environnement de l'amas de galaxies Abell 2744, un amas massif présentant une répartition complexe de matière noire et matière lumineuse en son centre. Les températures et les densités mesurées se sont trouvées être en bon accord avec les prédictions des simulations numériques qui indiquaient que les baryons manquants devaient se trouver dans le Whim. C'est une première !

Pour clore définitivement la question, il reste encore à multiplier les observations de ce genre afin de montrer que tous les baryons manquants se trouvent bien dans les filaments. Cela aurait une autre conséquence. Ainsi, en mesurant précisément les abondances de noyaux légers dans ces filaments - qui ne devraient pas avoir beaucoup changé depuis le Big Bang puisque peu d'étoiles et donc d'éléments lourds s'y sont formés -, il sera alors possible de mieux estimer l'effet de la nucléosynthèse stellaire active dans les galaxies, celle-là même qui les a fait chimiquement évoluer. Le télescope Athena de l'ESA, dont le lancement est prévu dans les années 2020, devrait nous permettre d'y voir plus clair.

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