Plus vide que le vide et pourtant aussi lourd que dix voies lactées : les astronomes localisent la matière visible manquante

Ce que les cosmologistes nous présentent comme le modèle standard de l'univers est en réalité une plaisanterie. Selon ce modèle, l'univers ne serait composé que de 5 % d'atomes ordinaires. Les 95 % restants seraient des formes « obscures » de matière et d'énergie, pour lesquelles aucune explication satisfaisante n'a encore été trouvée. En réalité, la situation est encore pire. Même pour la matière ordinaire, seuls 60 à 70 % ont été détectés par les télescopes jusqu'à présent.

Le problème de la matière normale manquante est désormais sur le point d'être résolu. Deux groupes de recherche ont déterminé indépendamment où elle se cache et quelles propriétés elle possède.

La matière normale est apparue peu après le Big Bang. C'est la substance à partir de laquelle se forment les étoiles et les planètes. Cependant, la grande majorité de cette matière existe sous forme de gaz diffus, moins brillant que les étoiles. Une partie de ce gaz a été localisée il y a des années. On le trouve entre les étoiles, dans les halos des galaxies, voire dans l'espace intergalactique. Cependant, si l'on additionne toutes les quantités connues, on est loin de la quantité qui aurait théoriquement dû être créée lors du Big Bang.

Les astronomes ont une hypothèse quant à l'emplacement de la matière manquante. Selon des simulations informatiques, un délicat réseau de gaz chaud traverse l'univers, reliant les galaxies brillantes. La matière devrait être extrêmement dispersée dans ces filaments de gaz. Une densité de 0,1 à 30 atomes par mètre cube est attendue.

Ce gaz extrêmement fin n'émet qu'un faible rayonnement. Il n'a donc pas encore été possible de caractériser précisément les filaments individuels du réseau. Des mesures antérieures avec des télescopes à rayons X ont révélé une densité de gaz cinq fois trop élevée, explique Konstantinos Migkas de l'Université de Leyde. Cela est dû au rayonnement X interférent des trous noirs intégrés dans ce réseau délicat.

L'équipe de Migkas a désormais pu isoler ce rayonnement interférent pour la première fois et le supprimer des données. Les chercheurs ont combiné leurs observations avec les télescopes à rayons X Suzaku et XMM-Newton. Pour leurs mesures, ils ont sélectionné un filament géant reliant quatre amas de galaxies. Il s'étend sur une distance de 23 millions d'années-lumière, soit 230 fois la taille de notre Voie lactée.

Les mesures ont révélé que le gaz contenu dans les filaments est chaud à dix millions de degrés et contient environ dix atomes par mètre cube. C'est moins d'atomes que dans le meilleur vide possible en laboratoire. Néanmoins, le filament a la masse de dix Voies Lactées. Cela donne une idée de son immensité.

« La densité et la température du gaz concordent avec les résultats des simulations informatiques basées sur le Modèle standard de cosmologie », explique Migkas. Cependant, jusqu'à présent, seul un filament de la toile cosmique a été étudié avec autant de précision. Il est donc encore impossible d'en déterminer la représentativité.

C'est là qu'intervient le deuxième groupe de travail, dirigé par Liam Connor de l'Université Harvard. Les chercheurs ont compilé un catalogue de sursauts radio rapides. Il s'agit de brefs sursauts de rayonnement électromagnétique de grande longueur d'onde qui se produisent dans les galaxies lointaines. En chemin vers la Terre, ce rayonnement traverse le gaz diffus du milieu intergalactique. La partie basse énergie du rayonnement est davantage ralentie que la partie haute énergie. Le rayonnement radio est ainsi diffusé de manière similaire à la lumière dans un prisme.

Cet effet a permis aux chercheurs de pondérer la matière ordinaire et de l'attribuer à différents milieux. Ils ont découvert que 76 % se situent dans le milieu intergalactique et 15 % dans le halo des galaxies. Les 9 % restants sont constitués d'étoiles et de gaz froid des galaxies. Au total, cela représente 100 %.

Pour Connor, cela résout le problème de la matière visible manquante. Migkas estime également que les deux travaux complémentaires atténuent considérablement le problème. Nous savons désormais où se cache cette matière manquante et quelles sont ses propriétés.

Ce qui est surprenant dans les travaux de Connor, c'est qu'on trouve autant de matière normale dans le milieu intergalactique et si peu dans le halo des galaxies. Les chercheurs attribuent ce phénomène à des processus de rétroaction. D'un côté, la gravité attire le gaz vers les galaxies. De l'autre, il est renvoyé dans l'espace intergalactique par le vent de particules des explosions de supernovae et des trous noirs supermassifs.

Cela pourrait contribuer à expliquer une divergence qui inquiète les cosmologistes depuis plusieurs années. L'univers actuel semble moins irrégulier que ne le suggèrent les observations de l'univers primitif. Cette divergence a été appelée tension _S8 . Bien qu'elle ne soit pas aussi prononcée que la tension de Hubble, qui affecte le taux d'expansion de l'univers, ces deux tensions combinées jettent le doute sur la précision avec laquelle le Modèle standard de la cosmologie décrit l'évolution de l'univers.

Interrogé sur la question, Connor écrit que les mesures de son groupe suggèrent que la matière normale de l'univers est homogénéisée par des processus de rétroaction dans les galaxies. Ainsi, la tension _S8 peut s'expliquer sans recourir à une nouvelle physique exotique.

Les simulations informatiques devront démontrer si les effets de rétroaction sont suffisamment puissants pour réconcilier les mesures contradictoires. Les doutes sont justifiés. Si la rétroaction affecte la matière normale, elle n'affecte pas la matière noire du halo des galaxies. Il serait donc surprenant que la gravité de la matière normale soit suffisante pour répartir plus uniformément la quantité bien plus importante de matière noire dans l'univers.