Les protons perdus du Big Bang enfin retrouvés !

Les protons perdus du Big Bang sont bien situés dans des filaments de gaz chauds, entre des amas de galaxies. Les observations menées par les satellites XMM-Newton et Planck le suggéraient déjà depuis huit ans et une équipe internationale d'astrophysiciens vient enfin de le confirmer.

Laurent Sacco, Futura-Sciences

La distribution de matière à grande échelle, avec des filaments et des nœuds. L'échelle est donnée en mégaparsecs, donc en millions d'années-lumière. En 2005, les scientifiques du Virgo Consortium for Cosmological Supercomputer Simulations ont utilisé le programme Gadget-2 pour simuler la formation des structures à grandes échelles dans le cadre du modèle standard de la cosmologie (avec matière noire et constante cosmologique). À partir des données fournies par le rayonnement fossile et d’une distribution initiale de matière noire, la simulation montrait la formation des amas de galaxies ainsi que des quasars au début de l’histoire de l’univers. Le résultat, impressionnant, a été baptisé la Simulation du Millénaire (Millennium Simulation). L'image présentée est extraite de cette simulation numérique. © V. Springel, Max-Planck Institut für Astrophysik, Garching bei München

La quantité de protons et de neutrons de l’univers observable peut être estimée depuis des dizaines d’années à partir de la mesure de l’abondance des noyaux de deutérium dans le cosmos. Cette surprenante performance est rendue possible grâce aux succès de la théorie du Big Bang, plus précisément de l'un de ses trois principaux piliers : les équations de la nucléosynthèse primordiale. Or, cette mesure et ces équations nous indiquent qu’il existe deux fois plus de protons et de neutrons dans l’univers que ceux détectés sous forme d’étoiles et de nuages de gaz dans les galaxies et même dans les amas de galaxies.

Une partie de la matière normale issue du Big Bang, qui constitue seulement environ 5 % de la densité du cosmos, devrait donc se trouver quelque part, mais où ? Cette énigme des protons et neutrons manquants s'ajoute à celles de la nature de la matière noire (voir notre dossier Les secrets de la matière noire), de l'énergie noire (Les mystères de l'énergie noire) et de l'absence de l'antimatière.

Cette simulation conduite à partir de travaux publiés en 1990 par David Weinberg et James Gunn montre la formation des grandes structures de l'univers dans le cadre du modèle de matière noire froide. Les galaxies apparaissent les premières ; elles se rassemblent ensuite en amas puis en superamas formant des filaments. © Johannes Hidding, YouTube

Des baryons manquants ultra-chauds trahis par les rayons X

Les astrophysiciens et cosmologistes ont toutefois rapidement proposé une solution à cette énigme il y a plusieurs décennies. Cette matière baryonique normale se trouverait peut-être dans le milieu intergalactique, plus précisément dans le Warm-Hot Intergalactic Medium, ou Whim. Elle aurait été attirée par la force de gravitation des filaments de matière noire connectant les amas de galaxies, qui eux-mêmes se regroupent sous forme des structures filamenteuses découvertes depuis quelques dizaines d’années.

Ces filament sont bien prédits par les simulations numériques tentant de reproduire la formation des grandes structures de l’univers observable. Malheureusement, cette partie de la toile d’araignée qui serait constituée de matière normale est très difficile à détecter. La composante de matière noire, dominante, a été mise en évidence dans l'un d'eux. Quant aux baryons, leur densité devrait y être bien plus faible, de sorte que leur détection doit y être ardue. Cependant, les températures de protons censément très élevées, de 100.000 à des dizaines de millions de degrés, doit faciliter l'observation. En effet, un gaz de matière normale aussi chaud doit émettre des rayons X. D'ailleurs, des observations réalisées avec le satellite de l’Esa XMM-Newton laissaient deviner dès 2008 – bien que de façon encore non concluante – l’existence de tels filaments de matière normale.

Il y a trois ans, un autre satellite européen, Planck, semblait bien avoir vu, lui aussi, des protons manquants sous forme de filaments entre amas de galaxies, en l’occurrence entre les amas Abell 399 et Abell 401 (voir l'image ci-dessous). Les membres de la collaboration Planck avaient pour cela mobilisé l'un des phénomènes les plus prometteurs pour faire progresser la cosmologie : l'effet Sunyaev-Zel’dovich.

Planck observe un pont de gaz chaud entre les amas de galaxies Abell 399 et Abell 401, vus dans le domaine optique par des télescopes au sol et par effet Sunyaev-Zel’dovich (en orange). Ils sont situés à environ un milliard d’années-lumière de nous. Les chercheurs analysant les données de Planck concernant Abell 399 et Abell 401 ont détecté le signal individuel émis par le gaz de chaque amas ainsi qu'un « pont » de gaz reliant les deux qui s’étend sur une dizaine de millions d’années-lumière (sur l'image, le « pont » de gaz correspond au filament orange clair situé entre les deux régions en orange vif). © Esa-consortia, HFI, LFI

Une clé pour comprendre l'évolution chimique de l'univers

Aujourd'hui, une équipe internationale d’astrophysiciens, dont certains sont membres du laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS, université d’Aix-Marseille), du centre de Recherche astrophysique de Lyon (CNRS, université Claude Bernard Lyon 1, ENS de Lyon) et d’autres de l’université de Genève (UNIGE) et de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) enfoncent le clou.

Comme ils l’expliquent dans un article publié dans Nature et disponible en accès libre sur arXiv, le télescope spatial XMM-Newton leur a permis d’obtenir des observations très convaincantes de la présence des baryons manquants dans des filaments de matière, entre les amas galactiques donc.

Pour cela, les chercheurs ont étudié de plus près l’environnement de l’amas de galaxies Abell 2744, un amas massif présentant une répartition complexe de matière noire et matière lumineuse en son centre. Les températures et les densités mesurées se sont trouvées être en bon accord avec les prédictions des simulations numériques qui indiquaient que les baryons manquants devaient se trouver dans le Whim. C’est une première !

Pour clore définitivement la question, il reste encore à multiplier les observations de ce genre afin de montrer que tous les baryons manquants se trouvent bien dans les filaments. Cela aurait une autre conséquence. Ainsi, en mesurant précisément les abondances de noyaux légers dans ces filaments – qui ne devraient pas avoir beaucoup changé depuis le Big Bang puisque peu d’étoiles et donc d’éléments lourds s’y sont formés –, il sera alors possible de mieux estimer l’effet de la nucléosynthèse stellaire active dans les galaxies, celle-là même qui les a fait chimiquement évoluer. Le télescope Athena de l’Esa, dont le lancement est prévu dans les années 2020, devrait nous permettre d’y voir plus clair.