Image dans le visible du système Abell 3391/95 prise avec la caméra DECam. Les images de eRosita (plus sombre = densité de gaz plus élevée) et celles des contours radio (jaune) du télescope Askap sont superposés. © Reiprich et al., Astronomy & Astrophysics
Sciences

On a retrouvé des protons perdus du Big Bang dans le plus long filament intergalactique connu

ActualitéClassé sous :Univers , Quasar , cosmologie

Une partie des protons et des neutrons présents lors du Big Bang manquent à l'appel, d'après la théorie de la nucléosynthèse primordiale et les observations. Mais les scientifiques les retrouvent lentement mais sûrement, cachés sous forme de noyaux légers, très chauds mais très peu lumineux dans des filaments de matière, entre les amas de galaxies. Aujourd'hui, on a même retrouvé le plus long connu à ce jour avec le télescope X russe, Spektr-RG.

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[EN VIDÉO] Trous noirs, galaxies, nébuleuses : à quoi ressemblerait le ciel si ces objets étaient tout proches ?  Une vidéo publiée par Roscosmos nous invite à découvrir une toute nouvelle sorte de ciel nocturne. Plutôt que de nous emmener aux confins de l'Univers, l'agence spatiale russe amène les trésors du cosmos à nous, pour un spectacle éblouissant. 

Lorsque l'on parle de particules de matière noire dans le cadre du modèle cosmologique standard dont l'un des pionniers est le prix Nobel de physique James Peebles, on parle nécessairement de particules encore jamais vues dans les laboratoires sur Terre. Mais les cosmologistes savent bien que les baryons que l'on retrouve sous la forme du Soleil, des planètes et des étoiles de la Voie lactée, ou des noyaux des atomes de notre corps, ne correspondent qu'à une partie seulement de ceux qui devraient être présents dans le cosmos observable si l'on en croit l'un des piliers de la théorie du Big Bang, la théorie de la nucléosynthèse primordiale.

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 majoritaires dans les galaxies et encore moins sous forme d'étoiles. © ESA

30 % de la matière baryonique manque à l'appel

Rappelons que cette théorie nous permet de prédire les rapports d'abondance de l'hélium et de l'hydrogène dans les étoiles, en moyenne. En outre, l'estimation théorique des abondances de deutérium dans les galaxies qu'elle permet est sensible à la densité de matière baryonique dans le cosmos observable. 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, on constate comme on l'a expliqué précédemment que 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).

Une présentation de la découverte de Chandra concernant le WHIM. Traduction et sous-titrages en français en cliquant sur la roue crantée en bas de la vidéo. © Chandra X-ray Observatory

On a avancé, depuis longtemps, que ces protons manquants se trouvaient très probablement dans le Warm-Hot Intergalactic Medium (WHIM), c'est-à-dire sous forme de filaments de gaz chaud entre les galaxies. Plusieurs observations soutiennent cette hypothèse depuis quelques années, par exemple celle faite avec le satellite Chandra de la Nasa ou celle dont Futura parlait dans le précédent article ci-dessous.

Des protons perdus trahis par les rayons X

Aujourd'hui, c'est au tour du satellite russe Spektr-RG (SRG) équipé de l'instrument allemand eRosita d'apporter sa contribution à la quête des protons perdus du Big Bang, comme le prouve un article publié dans la revue Astronomy & Astrophysics par une équipe internationale d'astrophysiciens menée par l'université de Bonn, et dont on peut trouver une version en accès libre sur arXiv.

Une présentation de Spektr-RG. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Space Telescopes, Russian Space Research Institute (IKI).

Avec ses collègues, Thomas Reiprich, de l'Institut Argelander d'astronomie de l'université de Bonn, s'est penché sur le cas d'Abell 3391/95. Il s'agit d'un système de trois amas de galaxies, à environ 700 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Les images en rayons X de eRosita ont alors révélé non seulement les amas et de nombreuses galaxies individuelles mais aussi et surtout les filaments de gaz reliant ces structures. L'un d'entre eux bat tous les records précédents puisque sa longueur est estimée à au moins 50 millions d'années-lumière. En fait, nous pourrions être en présence que d'une partie d'un filament beaucoup plus long.

Ce qui est sûr c'est que les données obtenues sont conformes au modèle cosmologique standard qui décrit comment une distribution légèrement inhomogène de matière noire et de matière baryonique laissée par la fin du Big Bang s'est effondrée gravitationnellement au cours du temps pour former des filaments de matière rassemblant des amas de galaxies et entourant des sortes de bulles beaucoup moins peuplées. Thomas Reiprich explique en effet dans un communiqué de l'université de Bonn que : « Nous avons comparé nos observations aux résultats d'une simulation qui reconstruit l'évolution de l'univers. Les images eRosita sont étonnamment similaires à celles générées par ordinateur. Cela suggère que le modèle standard largement accepté pour l'évolution de l'univers est correct. »

Pour en savoir plus

 

Sur cette image extraite de la Bolshoi Simulation, un modèle numérique pour simuler la formation des amas et des superamas de galaxies dans le cadre du modèle cosmologique standard avec matière noire et énergie noire, on a fait un zoom pour une région dont la taille est d'environ dix millions d'années-lumière. On y voit l'illumination du gaz intergalactique associée à des filaments de matière noire, et qui forme lui-même un filament. Cette illumination est sous la forme d'une sphère de lumière qui se propage à la suite de l'allumage d'un quasar. © Anatoly Klypin, Joel Primack

Entre les galaxies, de gigantesques filaments de matière

Article de Laurent Sacco publié le 22/01/2014

La présence de filaments de matière baryonique connectant les amas et les superamas de galaxies est une prédiction du modèle cosmologique standard basée sur la matière noire froide. On vient enfin d'en observer un grâce à un quasar. La quantité de gaz intergalactique qu'il contient surprend cependant les cosmologistes.

Les fluctuations de température du rayonnement fossile sont très faibles. Elles révèlent des fluctuations de densité dans la matière normale quelques centaines de milliers d'années après la naissance de l'univers observable. On pourrait penser que les zones les plus denses doivent être les premières à s'effondrer gravitationnellement pour donner les étoiles et les galaxies. Malheureusement, lorsqu'on simule ce processus sur ordinateur, on parvient à la conclusion que l'univers n'a pas encore eu le temps de former des galaxies !

Il n'y a actuellement qu'une seule façon de résoudre ce paradoxe : postuler la présence de grandes quantités de matière noire. Plus abondante que la matière baryonique normale, elle peut aussi avoir des fluctuations de densité initiales plus importantes sans que cela soit visible directement dans les fluctuations de température du rayonnement fossile, puisque cette matière noire ne se couple pas au champ électromagnétique, ou de façon négligeable.

La « Simulation du millénaire » (Millennium Simulation) conduite à partir du modèle cosmologique standard. Elle reproduit bien la structure filamenteuse de l'univers observable avec des superamas de galaxies formant un réseau de longs filaments qui se forme au cours de l'histoire de l'univers. Les points jaunes représentent des galaxies, et on distingue en mauve violet la distribution de matière noire. © Virgo Consortium, YouTube, cristianfcao

Avec de nouvelles simulations prenant en compte de la matière noire dite froide (parce que les vitesses de ces particules massives sont faibles en moyenne comme dans un gaz froid), tout change. Des paquets de matière noire peuvent s'effondrer rapidement et servir de puits gravitationnels dans lesquels la matière normale va tomber pour former d'abord des étoiles et des galaxies naines. Ces galaxies vont grandir et se rassembler en amas puis en superamas de galaxies. On voit alors lentement apparaître dans les simulations numériques une structure constituée de filaments de matière noire dans lesquels se rassemblent les galaxies connectées par des filaments de matière normale.

Des filaments de matière froide et de matière baryonique

Jusqu'à présent, les simulations numériques comme la Millennium Simulation, la Bolshoi Simulation ou encore Deus (Dark Energy Universe Simulation), qui tiennent compte aussi de l'énergie noire, reproduisent très bien la répartition des amas de galaxies et des superamas en filaments que l'on observe. De grands vides entre ces filaments apparaissent aussi. Il est connu par contre que ces simulations numériques marchent moins bien au niveau des galaxies. On ne sait pas encore si cela est dû à une prise en compte insuffisante du comportement de la matière normale et de son couplage avec la matière noire au niveau de la formation et de l'évolution des galaxies, ou s'il faut faire intervenir une modification de la loi de la gravitation, comme celle proposée dans le cadre de Mond.

En tout état de cause, la structure en forme de filaments de matière normale entre les galaxies que prédisaient les simulations n'avait encore jamais été observée. Les scientifiques savaient que de la matière baryonique intergalactique existait, bien que l'on ignorât les caractéristiques de sa répartition. Cela vient de changer grâce à une équipe internationale d'astrophysiciens qui vient de publier dans Nature un article, également disponible sur arxiv, faisant état de la détection d'un tel filament.

Observé par les instruments du télescope Keck I alors que l'univers observable n'était âgé que de trois milliards d'années environ, le quasar UM287 apparaît entouré d'un filament laiteux. Il s'agirait des émissions en Lyman-alpha de l'hydrogène contenu dans un filament de matière baryonique intergalactique. © S. Cantalupo, UCSC

Un filament long de deux millions d'années-lumière

Pour faire cette découverte, les chercheurs ont utilisé la fameuse raie en émission de l'atome d'hydrogène dans l'ultraviolet dite raie Lyman-alpha. Notée Ly-α, elle est produite par recombinaison de l'hydrogène ionisé et correspond à la transition électronique de n = 2 à n = 1, n étant le nombre quantique principal de l'atome d'hydrogène. Ces raies sont largement présentes dans des nuages d'hydrogène ionisé par le rayonnement des quasars dont ils sont proches. Mais du fait de l'expansion de l'univers, ces raies subissent un décalage spectral vers le rouge d'autant plus prononcé qu'elles sont associées à un quasar loin de nous. On observe d'ailleurs dans le visible et l'infrarouge une véritable forêt de raies Ly-α, mais d'absorption cette fois-ci, ce qui nous permet de faire une sorte de carottage dans les strates de l'histoire du cosmos observable.

Les jets de matière des quasars peuvent s'étendre sur des millions d'années-lumière, et cela faisait quelque temps déjà que les scientifiques cherchaient à observer les filaments de matière normale prédits par le modèle cosmologique standard grâce aux émissions Ly-α qu'ils devaient posséder. Le travail (et sans doute aussi les progrès technologiques) a fini par payer. Les instruments du télescope Keck I, l'un des deux fameux instruments de 10 m équipant l'observatoire W. M. Keck, ont révélé l'existence d'un tel filament s'étendant sur environ deux millions d'années-lumière aux abords du quasar UM287.

Les cosmologistes sont quand même tombés sur une surprise. La quantité de gaz dans le filament semble dix fois plus élevée qu'attendu avec les prédictions des modèles numériques. Il faudra donc réviser et affiner ces modèles. Nul doute que la découverte d'autres filaments leur permettra de disposer d'un véritable laboratoire naturel pour les y aider.

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