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Espace et Galaxies

Où sont passés tous les baryons?

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et au Flatiron Institute, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de "Comment mourir dans l'espace"Il a contribué cet article à Les voix d'experts de Space.com: Op-Ed & Insights.

Avouons-le: nous ne savons presque rien de l'univers. Bien sûr, nous avons des choses clouées: nous connaissons l'existence de la matière noire et de l'énergie sombre. Nous connaissons Big Bang. Nous savons comment les galaxies se forment au cours de milliards d'années. Et le plus douloureux de tous, nous savons que la matière "normale" (le type de matière qui fait les étoiles, les galaxies, les planètes et vous) ne représente pas plus de 5% de toute la masse et l'énergie de l'univers.

Et ce qui est pire: nous ne savons pas vraiment où se trouve la moitié de cette matière normale.

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Un recensement de l'univers

Tout d'abord, une définition rapide. Aux fins de cette conversation, servie avec une cuillerée pleine de préjugés humains, nous appellerons «normale» la matière qui compose des articles ménagers familiers, comme les téléviseurs et les meubles et les nuages ​​moléculaires. Les astronomes appellent cette matière "baryonique", car elle est principalement constituée de baryons: protons et neutrons et similaires. Donc, même si la matière baryonique n'est rien d'autre qu'un petit joueur dans le grand jeu (vous pouvez effacer chaque galaxie l'univers et les progrès de l'histoire cosmique continueraient sans ciller), nous le connaissons le mieux, nous l'appelons donc "normal".

Et le fait même que nous ayons un problème à compter tous les baryons peut sembler une affirmation audacieuse à faire: que nous savons de quoi l'univers est fait, même si nous ne pouvons pas le trouver. Mais nous avons deux preuves géantes qui nous aident à compter tous les baryons, même lorsqu'ils ne s'allument pas pour notre télescopes.

Tout d'abord – et c'est incroyable pour moi même de taper – nous avons une compréhension assez solide de la physique de l'univers alors qu'il n'avait que douze minutes. À cette époque, il y a des milliards d'années, l'univers était petit, chaud et suffisamment dense pour que les premiers protons et neutrons (lire: baryons) se condensent de la soupe primordiale. Et puisque nous comprenons assez bien la physique nucléaire pour fabriquer des centrales électriques et des bombes, nous pouvons faire des prédictions.

Ces prédictions nous indiquent combien de baryons au total devraient exister dans le cosmos, ainsi que les rapports des éléments légers (comme l'hélium et le lithium) à l'hydrogène. Et puisque nous observons les mêmes ratios que nos calculs prédisent, nous sommes convaincus que ces calculs sont suffisamment bons pour limiter la population de baryons de l'univers.

Deuxièmement, nous avons le fond de micro-ondes cosmique, une magnifique source de lumière datant de l'époque où l'univers n'avait que 380 000 ans. La lumière a été libérée juste au moment où l'univers s'est refroidi d'être un plasma. Et encore une fois, nous comprenons assez bien la physique des plasmas pour comparer la lumière que nous voyons à la lumière que nous prédisons, et qui nous indique le nombre total de baryons connus pour habiter le cosmos.

Dans les deux cas, les chiffres sont d'accord: 5% de toute la masse et l'énergie du cosmos. C'est tous les baryons que l'univers va obtenir.

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À la recherche des baryons

Un tas de baryons finit par se comprimer et allumer la fusion nucléaire, s'allumant sous forme d'étoiles. Et un tas de ces étoiles finissent par se rassembler dans des villes cosmiques géantes: les galaxies. Ici sur Terre (qui est également fait de baryons), nous avons un temps assez simple à compter tous les étoiles et les galaxies de l'univers, car elles sont relativement brillantes et les repérer est exactement ce que nous fabriquons les télescopes.

Au-delà de cela, nous avons quelques autres astuces pour compter les baryons. Nous pouvons regarder la lumière qui a traversé des milliards d'années-lumière de gaz dispersé. Le gaz lui-même est trop mince pour être vu, mais il absorbera une partie de cette lumière de fond, ce qui nous permettra d'estimer combien de baryons traînent dans des nuages ​​de gaz géants.

En allant encore plus loin, nous pouvons rechercher la courbure subtile de la lumière de fond pour rechercher des objets sombres et compacts: des choses comme trous noirs ou planètes voyous, qui sont également faits de baryons mais tout simplement pas très brillants.

Tout compte fait, nous sommes capables de représenter environ la moitié des baryons connus dans l'univers, ce qui est un peu embarrassant.

Regarder dans les coussins du canapé cosmique

Une solution possible à ce dilemme cosmique est que les baryons sont quelque part là-bas, ne s'allumant pas comme des étoiles, pas assez compacts pour faire lentilles gravitationnelleset pas assez dense pour absorber la lumière de fond. Les baryons manquants pourraient juste être… flottant autour, s'occupant de leurs propres affaires, pas vraiment associés à un objet particulièrement intéressant.

Et dans le plus grand univers, quand vous voulez vous éloigner de l'agitation des galaxies, vous allez à les filaments – de longues et minces vrilles de gaz qui relient les galaxies à leurs voisins, comme de longs tronçons d'autoroutes vides entre les villes.

Nous connaissons l'existence de ces filaments grâce à des simulations informatiques, mais les mesurer est beaucoup plus difficile, car ils sont si fins et faibles.

Mais les techniques récentes commencent à les ouvrir. Si le gaz dans les filaments est suffisamment chaud, la lumière du fond cosmique des micro-ondes sera excitée lors de son passage, créant un point chaud dans notre imagerie micro-ondes connue sous le nom d'effet Sunyeav-Zeldovich. L'effet pour chaque filament individuel est super petit et presque impossible à mesurer, mais en empilant des centaines de filaments et en les superposant les uns sur les autres, il suffit de créer un signal clair.

Et c'est ce que nous commençons à trouver: environ la moitié des baryons de notre univers évitent la vie dans les grandes villes et préfèrent vivre dans les étendues rurales endormies entre eux.

En savoir plus en écoutant l'épisode "Pourquoi nous manque-t-il tous les baryons?" sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Rachel K. pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.

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