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Le mystère des baryons manquants résolu

La simulation Bolshoï réalisée sur le superordinateur Pleiades de la NASA (cf. cette vidéo) est la modélisation la plus précise de la répartition de la matière sombre de l'Univers dans un volume d'un milliard d'années-lumière de diamètre. Aux dernières nouvelles, la matière sombre représente 22 % de la masse de l'Univers.

Enchevêtré dans la toile cosmique

Il y a encore quelques années, les astronomes estimaient que le bilan énergétique de l'Univers présentait un déficit de baryons : il manquait la plus grande partie de la matière[1] dans l'Univers ! Comment l'ont-ils déterminée ? La quantité de protons et de neutrons constituant la matière peut être estimée à partir de la mesure de l'abondance du deutérium dans l'Univers au moyen des équations de la nucléosynthèse primordiale, c'est-à-dire celle intervenue peu après le Big Bang. Si on compare cette valeur au recensement de toutes les baryons observés dans l'univers local, on constate qu'il devrait contenir deux fois plus de protons et de neutrons que ce que nous observons dans les processus de nucléosynthèse dans les étoiles, les nébuleuses et les amas de galaxies.

De plus, les observations des galaxies et des amas de galaxies dans l'univers local inférées à partir des mesures du fond diffus cosmologique à 2.7 K par les satellites WMAP et Planck et de la nucléosynthèse primordiale indiquent qu'à l'époque de la recombinaison les baryons représentaient entre 5 et 10 % de l'énergie totale de l'Univers. Il manque donc apparement 90 % des baryons !

Par ailleurs, dans un modèle d'Univers euclidien où la densité de matière assure un juste équilibre entre contraction et expansion, si on exprime les composants de l'Univers en fraction de la densité critique, on constate que les étoiles contribuent à seulement 5 % de la densité, tandis que toute les autres formes de matière y compris les baryons contribuent à environ 32 % supplémentaires. Autrement dit, en fraction de la densité critique, l'Univers contient près d'un tiers de matière baryonique mais les deux tiers restants sont invisibles et constitués d'une autre forme de matière et d'énergie dite sombre (ou noire) et indétectable.

Mais si les rapports ci-dessus sont exacts, à l'époque les déductions des astronomes n'étaient pas tout à fait exactes et leurs conclusions précipitées mais à leur décharge il faut avouer que même au début des années 2000 ils n'avaient pas toujours les moyens d'investiguer la question en détail.

Pendant des décennies, ces baryons "manquants" étaient un défi pour la cosmologie moderne et ont représenté un mystère particulièrement embarrassant car comme les baryons ordinaires, cette composante insaisissable agit sur la courbure de l'espace-temps et donc détermine l'évolution de l'Univers ! C'était un problème ennuyeux et frustrant car apparemment aucun instrument ne permettait d'identifier cette composante. Malgré cette difficulté, les astronomes ont persévéré et ont finalement trouvé la trace de ces fameux baryons "manquants". Voici l'histoire de cette étonnante découverte.

Trouver les baryons manquants

Pour comprendre comment l'Univers forma les structures cosmiques que nous observons à grande échelle, en 2005 Volker Springel et ses collègues du VCCSS (Virgo Consortium for Cosmological Supercomputer Simulations) ont utilisé le programme Gadget-2 de l'Institut Max Planck (MPIfA) fondé sur les lois du modèle Standard ΛCDM qu'ils ont appliquées aux données fournies par le satellite Planck en tenant compte d'une distribution initiale de matière sombre et froide. Le résultat de cette simulation appelée la "Millennium Simulation" a pris en compte plus de 10 milliards de particules-tests et un volume d'univers virtuel d'environ 10 milliards d'années-lumière de diamètre, soit 10 fois supérieur à la simulation Bolshoï de la NASA ! Elle montra de façon stupéfiante de quelle manière se sont formés les amas de galaxies ainsi les quasars comme le présente la vidéo suivante préparée par Springel.

A voir : Millenium Simulation, MPI

Simulation Bolshoï, UCSC

Formation of the large-scale structure in the Universe: filaments

En parallèle, les astronomes ont recherché les traces de cette composante baryonique manquante au moyen de télescopes sensibles à d'autres rayonnements, notamment en infrarouge et rayons X. Ils supposaient que cette matière manquante se trouverait peut-être dans le milieu intergalactique chaud, ce qu'on appelle le WHIM (Warm-Hot Intergalactic Medium) déjà évoquée à propos de la structure de l'Univers. En effet, sachant que toutes les galaxies et les amas sont enchevêtrés dans les filaments de la toile cosmique faite de baryons, de matière noire et d'énergie sombre, il était possible que par l'effet de la gravitation, les filaments aient déclenché la formation des grandes structures cosmiques et ensuite des galaxies, ce que tendent à montrer les simulations Bolshoï et Gadget-2 présentées ci-dessus.

Illustration de galaxies enchevêtrées dans la toile cosmique faite de baryons chauds et de matière noire. Document T.Lombry.

Grâce au satellite XMM-Newton de l'ESA, les astronomes finirent par identifier le long de la ligne de visée de certains quasars ainsi qu'autour des principaux amas de galaxies en interactions comme l'amas de Pandore présenté ci-dessous, la présence d'une enveloppe de gaz très chaud mais elle restait très localisée et ne représentait qu'une faible partie de la masse baryonique manquante. Ainsi sans le savoir ou en tout cas sans en être certain, dès 2008 les astronomes avaient la preuve que leurs observations indiquaient l'existence de filaments de matière et donc de ces fameux baryons "manquants" demeurés jusque là invisibles.

Puis en 2011, le satellite Planck révéla entre les amas Abell 399 et Abell 401 la présence de gaz chaud à 80 millions de Kelvins comme le montre cette photo révélant en orange l'effet Sunyaev-Zel’dovich . Cet effet est la trace du rayonnement X émis par les électrons du gaz chaud et indique indirectement sa présence. En effet, cette émission perturbe la fréquence du rayonnement à 2.7 K qui est légèrement décalée en provoquant un refroidissement à 2.67 K. Autrement dit, lorsque le rayonnement à 2.7 K traverse un gaz chaud, une partie du rayonnement excite les électrons du gaz qui s'ionise, laissant une faible trace dans le rayonnement micro-ondes sous forme de ce halo colorisé en orange sur la photo. Toutefois, à l'époque en essayant d'observer ce phénomène à travers tout le ciel, les filaments de gaz chaud étant tellement diffus que Planck ne les a pas détectés.

En revanche, dans un article publié dans la revue "Nature" fin 2015 (cf. en PDF), Dominique Eckert du centre de données ISDC et ses collègues ont montré grâce à des simulations cosmologiques décrivant les états primordiaux de l'Univers que les baryons manquants seraient bien présents mais ils ne se seraient pas condensés dans les halos galactiques ayant atteint l'équilibre hydrostatique (virialisés) mais résideraient dans les filaments de la toile cosmique, c'est-à-dire dans les zones galactiques où la densité de la matière est supérieure à la moyenne. Ces baryons formeraient un plasma intergalactique de faible densité mais extrêment chaud, présentant des températures de l'ordre de 100000 à 1 million de Kelvins.

C'est justement ces halos chauds que les astronomes avaient déjà découverts quelques années auparavant autour des galaxies et des amas. Mais comme nous l'avons expliqué, ces observations n'avaient pas permis de tracer la structure filamentaire à grande échelle ni d'estimer la quantité totale de baryons chauds dans un volume représentatif de l'Univers. Grâce aux observations en rayons X du satellite XMM-Newton, Eckert et ses collègues ont pu étudier les structures filamentaires de gaz chaud porté à 10 millions de Kelvins associées à l'amas de Pandore, alias Abell 2744 que l'on voit ci-dessous. Les observations précédentes de cet amas n'avaient pas permis de soustraire les sources de rayons X, ce que la nouvelle étude a permis, révélant des structures de gaz chauds sur une échelle de 26 millions d'années-lumière.

Les températures et les densités mesurées dans l'amas de Pandore correspondent aux prédictions des simulations numériques. Les filaments coïncident avec des surdensités de galaxies et de matière noire et représentent entre 5 et 10 % de leur masse baryonique constituée de gaz chaud. Cette chaleur est générée par l'attraction gravitationnelle de l'amas qui alimente aujourd'hui son coeur.

A gauche, l'amas Pandora ou Abell 2744 situé à 3.5 milliards d'années-lumière, les galaxies à l'arrière-plan étant situées à plus de 12 milliards d'années-lumière. Il s'agit d'une image composite visible/IR. Le champ couvre 2'x3' d'arc. Au centre, une vue générale de Pandora dans les rayonnements visible et X. Les zones rouges représentent les émissions X tandis que les zones bleues indiquent la présente de matière noire en interaction avec le gaz chaud et à l'origine des effets de lentilles gravitationnelles (jusqu'à 3 images pour une galaxie !). Cette matière invisible représente environ 75 % de la masse de cet amas. A droite, le rayonnement de l'amas dans le rayonnement X où il brille 4 fois plus qu'en lumière blanche. Documents HST/Spitzer et Chandra.

En étudiant d'autres amas, les astronomes arrivèrent à la conclusion que la moitié de la matière baryonique se trouve effectivement dans les filaments de gaz chaud tissant la toile cosmique et reliant toutes les galaxies entre elles. Ces résultats renforcent la théorie selon laquelle la plus grande partie des baryons manquants résiderait dans les filaments de la toile cosmique.

A l'époque il fallait encore affiner cette théorie en étudiant d'autres amas de galaxies afin de démontrer par extrapolation que tous les baryons manquants se trouvent bien dans les filaments. Pour cela, les astronomes allaient s'atteindre à un travail de bénédictin consistant à mesurer précisément pour chaque galaxie et pour chaque amas les abondances du deutérium et des noyaux légers dans les filaments, sachant que leur rapport n'a pas beaucoup évolué depuis leur formation, ce gaz chaud n'ayant pas formé d'éléments lourds ni d'étoiles ou si peu. A partir de ces mesures, les astronomes ont put ensuite estimer l'effet de la nucléosynthèse stellaire au sein des galaxies et des amas de galaxies.

Le mystère des baryons manquants résolu

Pour résoudre le problème des baryons "manquants" qui est aussi associé au mystère de la matière et de l'énergie sombres, deux équipes de chercheurs travaillant de façon indépendante, l'une dirigée par Hideki Tanimura de l'IAS d'Orsay, l'autre par Anna de Graaff de l'Université d'Édimbourg, ont trouvé une solution astucieuse : au lieu d''étudier l'effet Sunyaev-Zel'dovich dans l'espace situé entre chaque paire de galaxies, ils ont examiné en même temps l'espace compris entre toutes les paires de galaxies et ont tiré profit de la technique bien connue des astrophotographes de l'empilement d'images.

Extraction du signal de l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) de l'image d'une paire de galaxies rouges lumineuses (LRG). A gauche, la carte résiduelle après soustraction des signaux du halo radial. A droite, une carte dite d'échantillonnage nulle obtenue en empilant plusieurs cartes similaires à celle de gauche sur les paires de galaxies LRG et ajustée par rotation en longitude galactique d'une valeur aléatoire. Le signal résiduel provient uniquement du gaz baryonique chaud (WHIM) soumis à l'effet SZ qui trahit sa présence. Documents H. Tanimura adapté par l'auteur.

Pour réaliser cette performance, l'équipe de Tanimura sélectionna les photos de 260000 paires de galaxies rouges lumineuses ou LRG issues du sondage SDSS (Sloan Digital Sky Survey) tandis que l'équipe de Graaff utilisa plus d'un million de paires de galaxies du catalogue CMASS (aujourd'hui intégré au SDSS III DR9). Ils ont ensuite superposé sur celles-ci autant de cartes de signaux de Planck correspondant aux régions d'intérêt qu'ils ont ensuite mises à l'échelle et combinées. En superposant ces centaines de milliers d'images, ils ont réduit le bruit de fond et amplifié le signal excessivement faible des filaments, les rendant suffisamment brillants pour être détectés. Non seulement tous les nuages de baryons sont apparus, ce n'est pas de la matière noire, mais ils relient bien les galaxies par des filaments en quantité telle que prévue par la théorie; ils sont assez nombreux pour s'agglomérer et former des filaments de gaz chaud, tout en restant invisibles aux télescopes optiques !"Le problème des baryons manquants est résolu", déclara Tanimura.

Selon l'équipe de Tanimura, ces nuages de gaz chaud sont presque 3 fois plus denses que la densité moyenne dans l'univers local tandis que l'équipe de Graaf a constaté qu'ils étaient 6 fois plus denses, confirmant que le gaz chaud dans ces zones est assez dense pour former des filaments. La différence entre les deux équipes s'explique du fait qu'elles ont examiné des filaments à différentes distances. Comme le dit Tanimura, "cela contribue largement à montrer que la plupart de nos idées sur la façon dont les galaxies et les structures se forment au cours de l'histoire de l'Univers sont à peu près correctes".

Comme le souligna le cosmologiste Richard Ellis du Collège Universitaire de Londres, le plus étonnant dans cette découverte est qu'"elle ne fut pas fondée sur des observations ni sur des instruments capables d'observer directement ce gaz; le concept fut purement spéculatif" jusqu'à sa découverte.

La toile cosmique et la matière noire

Si le mystère des baryons "manquants" est résolu, il explique à peine la moitié de la structure de l'Univers à grande échelle car dans le modèle Standard, cette toile cosmique est toujours associée à cette composante Λ qui représente la matière noire (et/ou d'énergie sombre) qui à ce jour manque toujours à l'appel. Cette deuxième composante représente environ 22 % de la masse de l'Univers et environ 67 % de sa densité critique. Représentant une donnée cosmologique essentielle, pouvoir l'identifier reste aujourd'hui l'un des défis pour la cosmologie, au même titre que toutes les autres questions ouvertes.

En 2012, dans la revue "Nature" Jörg Dietrich de l'Observatoire universitaire de Munich et son équipe annoncèrent la détection d'une composante de matière noire dans un filament chaud dans le supermas de galaxie Abell 222/223 situé à 2.7 milliards d'années-lumière.

L'analyse du rayonnement X du gaz chaud émis par cet amas montra que cette matière était alignée avec le filament mais constituait seulement environ 10 % de sa masse. Les 90 % restants seraient donc composés de matière noire. Selon Dietrich, c'est un indice montrant que le filament est "une partie d'un réseau de matière noire qui relie les amas de galaxies à travers l'Univers".

Si ce travail de recherche autour des filaments de baryons de la toile cosmique supporté par des simulations très puissantes a permis de confirmer leur existence et le fait que les astronomes avaient fait les bonnes hypothèses et étaient sur la bonne voie, espérons qu'ils auront autant d'intuition et de persévérance pour prédire avec précision où se trouve cette fameuse matière noire. Pour cela, les astronomes européens attendent impatiemment le lancement du futur télescope ATHENA de 3 m de diamètre prévu vers 2020 spécialisé dans l'étude de l'Univers dans le rayonnement X mou entre 0.1 et 15 keV. Il devrait en effet permettre de mieux comprendre comment se forment les structures à grande échelle mais également les trous noirs supermassifs et les quasars qui les abritent et le lien qui les unit depuis l'époque de leur formation.

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[1] Les baryons sont des particules constituées de quarks sensibles aux quatre interactions comme les protons, les neutrons et les hyperons, à l'inverse des leptons (électrons, muons, neutrinos) qui sont des particules élémentaires qui ne sont pas sensibles à l'interaction forte (celle des gluons). Cette distinction entre les différentes formes de particules a des conséquences importantes dans la manière dont interagissent les éléments qui nous entoure. Ainsi, on peut passer à travers la lumière mais pas à travers la matière sauf dans des conditions très spéciales. On y reviendra en physique quantique.


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