Planck sur la piste de l'énigme des protons manquants

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Depuis une décennie environ, la cosmologie est entrée dans l'ère de la précision. Pour preuve, deux prix Nobel ont été attribués à des chercheurs ayant fait des découvertes importantes avec le rayonnement fossile et l'énergie noire, comme Saul Perlmutter. Même si l'on ignore encore la nature exacte de l'énergie noire et de la matière noire, les mesures indiquant leur présence à l'aide de différents phénomènes astrophysiques et cosmologiques sont tellement cohérentes et conduisent à une telle concordance des estimations des valeurs des densités de ces composantes sombres de l'univers observable qu'il n'est guère raisonnable de douter de la théorie du Big Bang.

Il ne faudrait pas croire pour autant qu'il n'y a plus mystères en cosmologie. L'un d'entre eux est celui des baryons manquants qui est décrit dans l'ouvrage d'Alain MazureAlain Mazure, MatièresMatières et antimatièresantimatières : À la recherche de la matière perdue.

L'énigme des baryons manquants

On est capable d'estimer la quantité de protonsprotons et de neutronsneutrons dans l'univers observable depuis des dizaines d'années à partir de la mesure de l'abondance des noyaux de deutérium dans le cosmoscosmos. Dans le cadre des équationséquations de la nucléosynthèsenucléosynthèse primordiale, cette mesure nous indique qu'il existe deux fois plus de protons et de neutrons dans l'univers que ceux que l'on détecte sous forme d'étoilesétoiles et de nuagesnuages de gazgaz dans les galaxiesgalaxies.

Une partie de la matière normale issue du Big BangBig Bang devait donc se trouver quelque part, mais où ?

Une explication avancée depuis un certain temps était qu'elle se trouvait dans le milieu intergalactique, plus précisément dans ce qu'on désigne sous le nom de Warm-Hot Intermediate Medium (Whim). Il s'agirait de filaments de matière noirematière noire et baryonique connectant les amas de galaxies qui eux-mêmes se regroupent sous forme des structures filamenteuses que l'on a découvertes depuis quelques dizaines d'années.

Ces filaments sont prédits par les simulations numériquessimulations numériques tentant de reproduire la formation des grandes structures dans l'univers observable. Malheureusement, concernant la partie de cette toile d'araignéearaignée qui serait constituée de matière normale, elle est très difficile à détecter. La composante de matière noire, dominante, n'a été mise en évidence par des mesures que tout dernièrement avec un filament. Pour les baryons, sa densité étant extrêmement faible, la détection serait encore plus complexe s'ils n'étaient à des températures allant de 100.000 à des dizaines de millions de degrés. Un gaz de matière normale aussi chaud doit émettre des rayons Xrayons X et effectivement, des observations faites avec le satellite de l'Esa XMM-Newton laissaient deviner, bien que de façon par encore concluante, l'existence de tels filaments de matière normale.

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 environ à un milliard d’années-lumière de nous. Les chercheurs analysant les données de Planck sur Abell 399 et Abell 401 n’ont pas seulement détecté le signal individuel émis par le gaz de chaque amas, mais aussi un « pont » de gaz reliant les deux (le filament orange plus clair qui relie les deux régions d’un orange plus vif) qui s’étend sur une dizaine de millions d’années-lumière. © Esa-consortia HFI/LFI

Comme le montre une récente publication sur arxiv, un autre satellite européen, PlanckPlanck, semble bel et bien avoir vu lui aussi des protons manquants sous forme de filaments entre amas de galaxiesamas de galaxies, en l'occurrence entre les amas Abell 399 et Abell 401.

Des baryons manquants trahis par l’effet Sunyaev-Zel’dovich

Deux amas de galaxies proches doivent s'attirer l'un l'autre de sorte que le gaz de baryons du Whim doit y être plus dense qu'entre des amas éloignés. En théorie, une empreinte détectable par Planck dans le rayonnement fossilerayonnement fossile par l'intermédiaire de l'effet Sunyaev-Zel’dovich (SZ) devait en résulter. Un catalogue de 200 amas détectés par Planck au moyen de l'effet SZ avait précédemment été dressé. Les astrophysiciensastrophysiciens ont alors regardé de plus près dans ce catalogue d'abord pour trouver des paires d'amas gravitationnellement liés puis pour analyser plus finement le rayonnement fossile dans la région de la voûte céleste associée à ces amas.

Effectivement, ce qui apparaît comme un pont de gaz chaud à une température de 80 millions de degrés environ a été détecté dans les données de Planck entre Abell 399 et Abell 401. Les mesures étant plus solidessolides que dans le cas de XMM-NewtonXMM-Newton, elles appuient l'idée que les nucléonsnucléons manquants, pour le moins une fraction d'entre eux, sont bien dans des filaments du Whim.

Toutefois, si la présence de ce gaz entre les deux amas semble un fait solide, son origine est encore incertaine. Comme l'explique un des membres de la collaboration Planck : « La question de savoir si ce gaz vient du Whim ou si ce gaz appartenait auparavant à ces amas est toujours débattue ; les simulations numériques suggèrent que ce pourrait être un mélange des deux ».