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Espace et Galaxies

La moitié de la matière dans l'univers manquait. Les scientifiques l'ont trouvé caché dans le cosmos.

À la fin des années 1990, les cosmologistes ont fait une prédiction de la quantité de matière ordinaire qu'il devrait y avoir dans l'univers. Ils estiment qu'environ 5% devraient être des trucs réguliers, le reste étant un mélange de matière noire et d'énergie noire. Mais lorsque les cosmologistes ont compté tout ce qu'ils pouvaient voir ou mesurer à l'époque, ils ont échoué. Par beaucoup.

La somme de toute la matière ordinaire que les cosmologistes mesuraient ne représentait qu'environ la moitié des 5% de ce qui était censé être dans l'univers.

Ceci est connu comme le "problème du baryon manquant" et depuis plus de 20 ans, cosmologistes comme nous regardé dur pour cette question sans succès.

Il a fallu la découverte d'un nouveau phénomène céleste et d'une technologie de télescope entièrement nouvelle, mais plus tôt cette année, notre équipe enfin trouvé la matière manquante.

Origine du problème

Le baryon est une classification des types de particules – une sorte de terme générique – qui englobe les protons et les neutrons, les éléments constitutifs de toute la matière ordinaire de l'univers. Tout sur le tableau périodique et à peu près tout ce que vous considérez comme des "trucs" est fait de baryons.

Depuis la fin des années 1970, les cosmologistes soupçonnent que la matière noire – un type de matière encore inconnu qui doit exister pour expliquer les modèles gravitationnels dans l'espace – constitue l'essentiel de la matière de l'univers le reste étant de la matière baryonique, mais ils ne connaissaient pas les rapports exacts. En 1997, trois scientifiques de l'Université de Californie à San Diego ont utilisé le rapport des noyaux d'hydrogène lourd – l'hydrogène avec un neutron supplémentaire – à l'hydrogène normal pour estimer que les baryons devraient représenter environ 5% du budget masse-énergie de l'univers.

Pourtant, alors que l'encre séchait encore sur la publication, un autre trio de cosmologistes a levé un drapeau rouge vif. Ils ont rapporté qu'une mesure directe des baryons dans notre univers actuel – déterminée par un recensement des étoiles, des galaxies et du gaz à l'intérieur et autour d'eux – s'élevait à seulement la moitié des 5% prévus.

Cela a déclenché le problème du baryon manquant. À condition que la loi de la nature stipule que la matière ne peut être ni créée ni détruite, il y avait deux explications possibles: soit la question n'existait pas et les calculs étaient erronés, soit la question était cachée quelque part.

Les premières données de la collaboration Planck cartographient les micro-ondes dans le ciel.

Les vestiges des conditions du premier univers, comme le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques, ont donné aux scientifiques une mesure précise de la masse de l'inverse dans les baryons. (Crédit image: ESA et Planck Collaboration)

Des astronomes du monde entier se sont lancés dans la recherche et le premier indice est venu un an plus tard de cosmologistes théoriciens. Leurs simulations informatiques ont prédit que la majorité de la matière manquante se cachait dans un plasma chaud de millions de degrés à basse densité qui a imprégné l'univers. Cela a été appelé le "milieu intergalactique chaud-chaud" et surnommé "le WHIM". Le WHIM, s'il existait, résoudrait le problème du baryon manquant mais à l'époque il n'y avait aucun moyen de confirmer son existence.

En 2001, un autre élément de preuve en faveur du WHIM est apparu. Une deuxième équipe a confirmé la prédiction initiale de baryons constituant 5% de l'univers en regardant de minuscules les fluctuations de température dans l'univers fond de micro-ondes cosmique – essentiellement le rayonnement résiduel du Big Bang. Avec deux confirmations distinctes de ce nombre, les calculs devaient être exacts et le WHIM semblait être la réponse. Les cosmologistes n'avaient plus qu'à trouver ce plasma invisible.

Au cours des 20 dernières années, nous et de nombreuses autres équipes de cosmologistes et d'astronomes avons amené presque tous les plus grands observatoires de la Terre à la chasse. Il y a eu de fausses alarmes et détections provisoires de gaz chaud-chaud, mais l'une de nos équipes a finalement lié celles-ci à gaz autour des galaxies. Si le WHIM existait, il était trop faible et diffus pour être détecté.

Une solution inattendue en rafales radio rapides

Les rafales radio rapides proviennent de galaxies situées à des millions et des milliards d'années-lumière et cette distance est l'une des raisons pour lesquelles nous pouvons les utiliser pour trouver les baryons manquants.

Les rafales radio rapides proviennent de galaxies situées à des millions et des milliards d'années-lumière et cette distance est l'une des raisons pour lesquelles nous pouvons les utiliser pour trouver les baryons manquants. (Crédit image: ICRAR, CC BY-SA

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En 2007, une opportunité totalement imprévue est apparue. Duncan Lorimer, astronome de l'Université de Virginie-Occidentale, a rapporté la découverte fortuite d'un phénomène cosmologique connu sous le nom de rafale radio rapide (FRB). Les FRB sont des impulsions d'émissions radio extrêmement brèves et très énergétiques. Les cosmologistes et les astronomes ne savent toujours pas ce qui les crée, mais ils semblent provenir de galaxies très éloignées.

Alors que ces éclats de rayonnement traversent l'univers et traversent les gaz et le WHIM théorisé, ils subissent quelque chose appelé dispersion.

La cause mystérieuse initiale de ces FRB dure moins d'un millième de seconde et toutes les longueurs d'onde commencent dans un bloc serré. Si quelqu'un avait la chance – ou la malchance – d'être près de l'endroit où un FRB a été produit, toutes les longueurs d'onde le toucheraient simultanément.

Mais lorsque les ondes radio traversent la matière, elles sont brièvement ralenties. Plus la longueur d'onde est longue, plus une onde radio "ressent" la matière. Pensez-y comme à la résistance au vent. Une voiture plus grosse ressent plus de résistance au vent qu'une voiture plus petite.

L'effet de «résistance au vent» sur les ondes radio est incroyablement petit, mais l'espace est grand. Au moment où un FRB a parcouru des millions ou des milliards d'années-lumière pour atteindre la Terre, la dispersion a tellement ralenti les longueurs d'onde plus longues qu'elles arrivent presque une seconde plus tard que les longueurs d'onde plus courtes.

C'est là que réside le potentiel des FRB pour peser les baryons de l'univers, une opportunité que nous avons reconnue sur place. En mesurant la propagation de différentes longueurs d'onde au sein d'un FRB, nous pourrions calculer exactement la quantité de matière – le nombre de baryons – que les ondes radio ont traversées en se dirigeant vers la Terre.

À ce stade, nous étions si proches, mais nous avions besoin d'une dernière information. Pour mesurer précisément la densité du baryon, nous devions savoir d'où venait le FRB dans le ciel. Si nous connaissions la galaxie source, nous saurions jusqu'où les ondes radio ont voyagé. Avec cela et la quantité de dispersion qu'ils ont connue, peut-être pourrions-nous calculer la quantité de matière qu'ils ont traversée sur le chemin de la Terre?

Malheureusement, les télescopes 2007 n'était pas assez bon pour identifier exactement quelle galaxie – et donc à quelle distance – un FRB est venu.

Nous savions quelles informations nous permettraient de résoudre le problème, il ne nous restait plus qu'à attendre que la technologie se développe suffisamment pour nous fournir ces données.

Innovation technique

Il a fallu 11 ans pour que nous puissions placer – ou localiser – notre premier FRB. En août 2018, notre projet collaboratif appelé ARTISANAT a commencé à utiliser le Australian Path Kilomètre Array Pathfinder (ASKAP) radio-télescope dans l'arrière-pays de l'Australie-Occidentale pour rechercher des FRB. Ce nouveau télescope – qui est géré par l'agence scientifique nationale australienne, CSIRO – peut regarder d'énormes portions du ciel, environ 60 fois la taille d'une pleine lune, et il peut simultanément détecter les FRB et localiser d'où ils viennent dans le ciel.

ASKAP a capturé son premier FRB un mois plus tard. Une fois que nous avons connu la partie précise du ciel d'où provenaient les ondes radio, nous avons rapidement utilisé le Télescope Keck à Hawaï pour identifier de quelle galaxie la FRB venait et à quelle distance se trouvait cette galaxie. Le premier FRB que nous avons détecté provenait d'une galaxie nommée DES J214425.25–405400.81 situé à environ 4 milliards d'années-lumière de la Terre, au cas où vous vous poseriez la question.

La technologie et la technique ont fonctionné. Nous avions mesuré la dispersion d'un FRB et savions d'où elle venait. Mais nous devions en attraper quelques-uns de plus afin d'atteindre un nombre statistiquement significatif de baryons. Nous avons donc attendu et espéré que l'espace nous enverrait d'autres FRB.

À la mi-juillet 2019, nous avions détecté cinq autres événements – suffisamment pour effectuer la première recherche de la matière manquante. En utilisant les mesures de dispersion de ces six FRB, nous avons pu faire un calcul approximatif de la quantité de matière traversée par les ondes radio avant d'atteindre la terre.

Nous avons été dépassés à la fois par l’émerveillement et la réconfort au moment où nous avons les données tombent à droite sur la courbe prédite par l'estimation de 5%. Nous avions entièrement détecté les baryons manquants, résolu cette énigme cosmologique et mis fin à deux décennies de recherches.

Ce résultat n'est cependant que la première étape. Nous avons pu estimer la quantité de baryons, mais avec seulement six points de données, nous ne pouvons pas encore construire une carte complète des baryons manquants. Nous avons la preuve que le WHIM existe probablement et avons confirmé combien il y en a, mais nous ne savons pas exactement comment il est distribué. On pense qu'il fait partie d'un vaste réseau filamenteux de gaz qui relie les galaxies appelées "le web cosmique", mais avec une centaine de radios rapides, les cosmologistes pourraient commencer à construire une carte précise de ce site.

Cet article a été mis à jour pour indiquer que l'agence scientifique nationale australienne, CSIRO, exploite le nouveau télescope.

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Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué l'article à Live Science's Voix d'experts: Op-Ed & Insights.

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