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Le mystère des baryons manquants résolu
Enchevêtré dans la toile cosmique Jusqu'au début des années 2010, 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 39 ±12% supplémentaires. Autrement dit, en fraction de la densité critique, l'Univers contient plus d'un tiers de matière baryonique mais les deux tiers restants sont invisibles et constitués d'une autre forme de matière et d'énergie dites sombres (ou noires) et indétectables. 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 qu'ls n'avaient pas les moyens d'investiguer la question en détails. 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 et d'énergie sombres, 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.
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 (en PDF sur arXiv), 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 sombre 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.
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, en 2017 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.
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 sombre, 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. Mais l'histoire ne s'est pas arrêtée là car il fallait trouver la trace de ces baryons et établir son profil spectral. En 2016, l'équipe de Fabrizio Nicastro de l'Observatoire astronomique de Rome et du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian était bien décidée à localiser ces baryons manquants et publia sa stratégie de recherche dan la revue "Astonomical Notes" (en PDF sur arXiv).
En résumé, les chercheurs souhaitaient utiliser le télescope XMM-Newton pour identifier des pics dans la distribution de la densité d'énergie du ciel (des zones de gaz chaud correspondant aux filaments des WHIM). Ensuite, dans les régions présentant ces surdensités de matière chaude, ils voulaient identifier des galaxies lointaines et en particulier des quasars très brillants afin d'identifier dans leur spectre d'éventuels éléments très absorbants (des absorbeurs, le WHIM) le long de la ligne de visée qui seraient conformes aux prédictions des simulations numériques. Le défi était lancé. Finalement, en 2018 Nicastro et ses collègues annoncèrent dans la revue "Nature" qu'ils avaient découvert ces fameux baryons manquants dans le WHIM. Comme on le voit sur le spectrogramme présenté à gauche, les chercheurs ont observé deux absorbeurs d'oxygène fortement ionisé (O VII) dans le spectre du blazar 1ES 1553+113 présentant un redshift z > 0.413. Autrement dit les baryons manquants sont cachés dans ces nuages chauds d'oxygène ionisé flottant entre les galaxies. Notons qu'avant d'annoncer leur découverte, les chercheurs ont vérifié toutes les sources possibles d'erreurs, de parasites et autres données aléatoires. Selon les chercheurs, le signal (le rapport signal/bruit) de l'oxygène était trop fort et cohérent pour provenir des fluctuations aléatoires de la lumière du quasar. Les astronomes ont également exclu la possibilité qu'une galaxie pâle ait influencé et affaibli les raies de l'oxygène. En observant attentivement de quelle manière le WHIM obscurcit et modifie la lumière émanant du quasar, les chercheurs ont pu comprendre la nature de ce milieu et identifié sa principale composante : de l'oxygène ionisé chauffé à près de 1 million de degrés Celsius. Dans une nouvelle étude publiée en 2021 dans la revue "Physical Review D", une équipe internationale de chercheurs comprenant des physiciens du laboratoire BNL du Département de l'Energie américain et de l'Université de Cornell, analysa les effets thermiques et cinématiques de l'effet Sunyaev-Zel’dovich (tSZ, kSZ) dans le cadre du sondage BOSS ( Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) pour sonder les propriétés thermodynamiques du milieu circumgalactique et intra-amas des galaxies, des groupes et des amas de galaxies du catalogue CMASS précité. Ils ont découvert que les baryons manquants se cachent dans le halo des galaxies, certains se trouvant à 6 millions d'années-lumière du centre de leur galaxie hôte. La toile cosmique et la matière sombre 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 sombre (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 sombre 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 sombre. Selon Dietrich, c'est un indice montrant que le filament est "une partie d'un réseau de matière sombre 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 sombre. 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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