Ils ont (enfin) retrouvé la matière manquante de l'Univers !

Une équipe scientifique internationale vient enfin de débusquer la matière ordinaire « fantôme » de l'Univers. Florian Pacaud, astrophysicien à l'université de Bonn et coauteur de cette étude parue dans Astronomy & Astrophysics, explique au Point cette découverte qui résout un mystère vieux de plusieurs décennies et valide nos modèles cosmologiques.

Le Point : Quelle est donc cette matière manquante dont il est question dans votre étude ?

Florian Pacaud :Quand on dit « matière normale », on la distingue des substances exotiques introduites en cosmologie, comme la matière noire ou l'énergie sombre. C'est de la matière ordinaire : protons, neutrons, électrons, le type de matière qui nous constitue et qui constitue les étoiles. Mais nos modèles cosmologiques, qui reproduisent remarquablement bien nos observations, nécessitent une quantité très précise de cette matière ordinaire pour fonctionner. Cette quantité est notamment déterminée par l'abondance d'éléments légers ? deutérium, lithium ? créés lors du big bang par réaction nucléaire.

Le problème, c'est que, quand on observe cette matière dans l'Univers actuel ? dans les étoiles, le gaz froid des galaxies, le gaz chaud des amas de galaxies ?, il nous en manque entre un tiers et la moitié. Depuis les années 1990, les simulations numériques nous donnent une explication plausible : cette matière diffuse s'est effondrée sur les filaments de la toile cosmique, entre les amas de galaxies. En se comprimant, elle s'est chauffée à de très hautes températures et a été complètement ionisée, ce qui la rend quasi invisible avec nos méthodes habituelles d'observation.

Comment avez-vous donc procédé pour parvenir à la localiser ?

C'est un processus qui s'étale sur plusieurs années, nous ne sommes pas les seuls. Il y a eu d'abord des méthodes où on observait cette matière à travers l'absorption qu'elle produisait sur des sources très brillantes en arrière-plan. Puis des techniques statistiques où on « empile » beaucoup de filaments identifiés d'après la présence des amas de galaxies pour faire augmenter le signal. Maintenant, nous en sommes à l'étape de la détection des filaments individuels.

Pour y parvenir, il faut des instruments qui observent en rayons X ? ce plasma ionisé très chaud émet naturellement dans cette gamme, même très faiblement. Mais le rayonnement est si faible qu'il faut un instrument qui combine bonne sensibilité et fond instrumental parfaitement maîtrisé ; sinon, les erreurs peuvent cacher ou imiter le signal qu'on cherche. Dans notre groupe, nous avons d'abord utilisé le satellite allemand eROSITA, qui présentait l'avantage d'avoir cartographié tout le ciel et un fond très stable. Cela nous a permis de publier nos premières détections de filaments individuels depuis 2021.

Pour cette nouvelle étude, en revanche, nous avons utilisé le satellite japonais Suzaku, qui a cette propriété d'avoir un fond extrêmement bien caractérisé. Toutefois, sa résolution spatiale limitée posait un problème : d'autres sources astrophysiques pouvaient contaminer le signal. Nous l'avons donc combiné avec XMM-Newton, de l'ESA, qui a une très bonne résolution angulaire et qui est à ce jour le plus sensible en rayons X. XMM-Newton nous a permis d'identifier très précisément ces sources contaminantes ? notamment des noyaux actifs de galaxies ? et de les exclure de l'analyse de Suzaku. C'est cette association des deux satellites qui nous a permis de détecter ce nouveau filament.

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Qu'est-ce que cette trouvaille peut apporter à notre compréhension de l'Univers ?

Ce qui est particulièrement satisfaisant avec ce nouveau filament, c'est qu'il valide enfin nos modèles théoriques. Dans nos premières observations de filaments individuels, nous avions un problème : la densité et la température observées étaient supérieures à ce qu'on attendait. Cela soulevait une question cruciale : avions-nous simplement observé les filaments les plus denses et les plus chauds ? donc les plus faciles à détecter ? ou bien nos simulations numériques étaient-elles fausses ?

Ce nouveau filament répond à cette interrogation. Il a une densité bien inférieure aux autres, d'un facteur 5, elle correspond exactement à ce qu'attendent nos simulations numériques. Cela suggère que nous n'observions effectivement jusqu'ici que la queue de la distribution, autrement dit les filaments exceptionnellement denses, et que nos modèles cosmologiques sont justes. En effet, quand on combine tous les faisceaux observationnels de ces dernières années, on peut désormais reproduire la quantité de matière manquante. Elle est bien là, répartie dans ces filaments cosmiques, représentant 30 à 50 % de la matière ordinaire.

Ces recherches nous permettent aussi de mieux comprendre la toile cosmique. Avec les galaxies, on observe déjà cette structure à grande échelle ? amas, filaments, vide ?, mais les galaxies ne représentent qu'une petite fraction de la masse totale. En observant le reste de la matière baryonique dans ces filaments, on commence à avoir une cartographie complète de la matière dans l'Univers. Malheureusement, avec l'arrêt de Suzaku et d'eROSITA, il faudra maintenant attendre le satellite New Athena de l'ESA, prévu pour 2037, pour aller plus loin et étudier la composition chimique de ces filaments avec une précision inégalée.