Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont été incapables de trouver un morceau de matière dans l'univers. Des documents récemment publiés montrent où elle se cache.
Les astronomes ont enfin trouvé les dernières pièces manquantes de l'univers. Ils se cachent depuis le milieu des années 1990, et à un moment donné, les chercheurs ont décidé de faire un inventaire de toute la matière "ordinaire" dans l'espace, y compris les étoiles, les planètes, les gaz - c'est-à-dire tout ce qui est constitué de particules atomiques. (Ce n'est pas de la «matière noire», qui est un mystère à part.) Les scientifiques avaient une idée assez claire de la quantité de cette matière, basée sur les conclusions d'études théoriques sur son origine au moment du Big Bang. Des études sur le fond cosmique des micro-ondes (les restes de lumière du Big Bang) ont confirmé plus tard ces estimations initiales.
Ils ont rassemblé tout ce qu'ils pouvaient voir: des étoiles, des nuages de gaz, etc. Autrement dit, tous les soi-disant baryons. Ils ne représentaient que 10% de ce qui aurait dû être. Et lorsque les scientifiques sont arrivés à la conclusion que la matière ordinaire ne représentait que 15% de toute la matière de l'Univers (le reste est de la matière noire), à ce moment-là, ils n'avaient inventorié que 1,5% de toute la matière de l'Univers.
Après avoir mené une série d'études, les astronomes ont récemment trouvé les derniers morceaux de matière ordinaire dans l'univers. (Ils sont toujours perplexes, ne sachant pas de quoi est faite la matière noire.) Et bien que la recherche ait pris très longtemps, les scientifiques l'ont trouvée exactement là où ils s'attendaient à la trouver: dans les énormes boucles de gaz chauds qui occupent les vides entre les galaxies. Plus précisément, on les appelle l'environnement intergalactique chaud-chaud (WHIM).
Les premières indications que de vastes régions de gaz essentiellement invisibles pourraient exister entre les galaxies proviennent de simulations informatiques en 1998. «Nous voulions voir ce qu'il advient de tout ce gaz dans l'univers», a déclaré le cosmologiste Jeremiah Ostriker de l'Université de Princeton, qui a construit un tel modèle avec sa collègue Renyue Cen. Ces scientifiques ont modélisé le mouvement du gaz dans l'univers sous l'influence de la gravité, de la lumière, des explosions de supernova et de toutes les forces qui déplacent la matière dans l'espace. "Nous avons constaté que le gaz s'accumule dans les filaments détectables", a déclaré Ostricker.
Mais ils n'ont pas pu trouver ces fils - alors.
"Dès les premiers jours de la modélisation cosmologique, il est devenu clair qu'une partie importante de la matière baryonique existe sous une forme diffuse chaude en dehors des galaxies", a déclaré un astrophysicien de l'Université de Liverpool. John Moores Ian McCarthy. Les astronomes pensaient que ces baryons chauds correspondraient à une superstructure cosmique faite de matière noire invisible qui remplit les vides géants entre les galaxies. La force d'attraction de la matière noire devrait attirer le gaz et le chauffer à une température de plusieurs millions de degrés. Malheureusement, trouver du gaz chaud et raréfié est extrêmement difficile.
Pour découvrir les fils cachés, deux équipes de scientifiques ont indépendamment commencé à rechercher des distorsions précises du rayonnement relique (rémanence du Big Bang). Puisque la lumière du début de l'univers traverse l'espace extra-atmosphérique, elle peut être affectée par les régions qu'elle traverse. En particulier, les électrons dans un gaz ionisé chaud (qui constitue un milieu intergalactique chaud-chaud) doivent interagir avec les protons du rayonnement relique, et de telle manière que cela donne aux protons une énergie supplémentaire. Par conséquent, le spectre du CMB devrait être déformé.
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Malheureusement, même les meilleures cartes CMB (obtenues à partir du satellite Planck) n'ont pas montré de telles distorsions. Soit il n'y avait pas de gaz, soit l'impact était trop faible et imperceptible.
Mais les scientifiques des deux équipes étaient déterminés à le rendre visible. Ils savaient à partir de modèles informatiques de l'univers, dans lesquels de plus en plus de détails apparaissaient, que le gaz devait s'étirer entre des galaxies massives comme une toile d'araignée sur un rebord de fenêtre. Le satellite Planck n'a pu voir nulle part le gaz entre les paires de galaxies. Les chercheurs ont donc conçu un moyen d'amplifier un signal faible un million de fois.
Ils ont d'abord scanné des catalogues de galaxies connues pour tenter de trouver les paires qu'ils recherchaient, c'est-à-dire des galaxies suffisamment massives et suffisamment espacées pour qu'un réseau de gaz assez dense puisse apparaître entre elles. Les astrophysiciens sont ensuite revenus aux données satellitaires, ont localisé chaque paire de galaxies et ont essentiellement sculpté cette région hors de l'espace avec des ciseaux numériques. Avec plus d'un million de coupures dans leurs mains (c'est ce que l'équipe de l'étudiante diplômée de l'Université d'Édimbourg Anna de Graaff avait), ils ont commencé à les faire pivoter, à les agrandir et à les réduire pour que toutes les paires de galaxies soient visibles dans la même position. Après cela, ils ont superposé un million de paires de galaxies. L'une et l'autre.(Une équipe de chercheurs dirigée par Hideki Tanimura de l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay a assemblé 260000 paires de galaxies.) Et puis les filaments individuels, représentant des filaments fantomatiques de gaz raréfié chaud, sont soudainement devenus visibles.
Cette méthode a ses inconvénients. Selon l'astronome Michael Shull de l'Université du Colorado à Boulder, l'interprétation des résultats nécessite certaines hypothèses sur la température et la distribution des gaz chauds dans l'espace. Et avec des signaux qui se chevauchent, «on s'inquiète toujours des« signaux faibles »qui résultent de la combinaison d'une énorme quantité de données. "Comme c'est parfois le cas avec les enquêtes sociologiques, vous pouvez obtenir des résultats erronés lorsque des valeurs aberrantes ou des erreurs d'échantillonnage aléatoires apparaissent dans la ventilation qui faussent les statistiques."
Sur la base en partie de ces considérations, la communauté astronomique a refusé de considérer cette question comme réglée. Une méthode indépendante était nécessaire pour mesurer les gaz chauds. Cet été, il est apparu.
Effet balise
Alors que les deux premiers groupes de chercheurs se superposaient des signaux, la troisième équipe a commencé à agir d'une manière différente. Ces scientifiques ont commencé à observer un quasar éloigné, comme ils appellent un objet brillant à des milliards d'années-lumière, pour détecter le gaz dans l'espace intergalactique supposé vide à travers lequel sa lumière passe. C'était comme examiner un faisceau d'une balise éloignée pour analyser le brouillard qui s'était accumulé autour d'elle.
Habituellement, lorsque les astronomes font de telles observations, ils recherchent la lumière absorbée par l'hydrogène atomique, car cet élément est le plus présent dans l'univers. Malheureusement, dans ce cas, cette option a été exclue. Le milieu intergalactique chaud-chaud est si incandescent qu'il ionise l'hydrogène, le privant de son seul électron. Le résultat est un plasma de protons libres et d'électrons qui n'absorbent pas du tout la lumière.
Par conséquent, les scientifiques ont décidé de rechercher un autre élément - l'oxygène. L'oxygène dans un milieu intergalactique chaud-chaud est beaucoup moins que l'hydrogène, mais l'oxygène atomique a huit électrons, tandis que l'hydrogène en a un. En raison de la chaleur, la plupart des électrons s'envolent, mais pas tous. Cette équipe de recherche, dirigée par Fabrizio Nicastro de l'Institut national d'astrophysique de Rome, a suivi la lumière absorbée par l'oxygène, qui a perdu six de ses huit électrons. Ils ont découvert deux régions de gaz intergalactique chaud. «L'oxygène donne un signal qui indique la présence d'un volume beaucoup plus important d'hydrogène et d'hélium», a déclaré Schull, qui fait partie de l'équipe de Nikastro. Les scientifiques ont ensuite comparé la quantité de gaz qu'ils ont trouvée entre la Terre et le quasar à l'univers dans son ensemble. Le résultat a montré qu'ils ont trouvé les 30% manquants.
Ces chiffres sont également tout à fait cohérents avec les conclusions de l'étude du CMB. «Nos équipes ont examiné différentes pièces du même puzzle et sont parvenues à la même conclusion, ce qui nous donne confiance étant donné la différence des méthodes de recherche», a déclaré l'astronome Mike Boylan-Kolchin de l'Université du Texas à Austin.
La prochaine étape, a déclaré Shull, devrait être d'observer plus de quasars avec une nouvelle génération de télescopes à rayons X et ultraviolets avec une sensibilité plus élevée. «Le quasar que nous avons observé était le phare le meilleur et le plus brillant que nous ayons pu trouver. D'autres seront moins brillants et les observations dureront plus longtemps », a-t-il déclaré. Mais pour aujourd'hui, la conclusion est claire. «Nous concluons que la matière baryonique manquante a été trouvée», ont écrit les scientifiques.
Katya Moskvich (KATIA MOSKVITCH)
