« Souvent dans l'erreur. Jamais dans le doute ! ». Cette célèbre déclaration du génial prix Nobel de physique Lev Landau, au sujet des cosmologistes, ne signifie pas qu'il ne prenait pas la cosmologie au sérieux. Et encore moins quand il s'agissait de la cosmologie relativiste développée par Friedmann et Lemaître : toute une partie de son cours de physique qui traite de la théorie des champs aborde le sujet par le calcul. Landau lui-même considérait l'existence de la fameuse singularité cosmologique comme l'une des plus importantes questions de la physique théorique.

Il faut bien admettre, qu'avant les années 1970 (Landau est mort en 1968), on ne savait presque rien en cosmologie, ni du point de vue théorique ni du point de vue observationnelle, bien que, rétrospectivement, les travaux de Lemaître,  dans les années 1920 à 1930, apparaissent comme particulièrement pénétrants et en avance sur leur temps. Le paysage a bien changé depuis et de façon spectaculaire depuis le début du XXI^e siècle au point que l'on peut vraiment parler de l'ère de la précision en cosmologie avec le modèle de concordance bâtie sur la matière noirematière noire et l'énergie noire.

Certes, l'inconnu se cache derrière ces deux composantes majeures de la densité de masse du cosmoscosmos observable à une échelle supérieure à celle des amas galactiques. Mais, grâce aux observations concernant entre autre le rayonnement fossile, les quasars, les supernovaesupernovae et la distribution des galaxies, nos observations et nos théories ont pu être recoupées. Ainsi, il existe désormais un noyau de connaissances qui ne devrait pas plus changer que la théorie héliocentriquehéliocentrique ne l'a fait avec les progrès de l'exploration du Système solaireSystème solaire.

Il reste toutefois du pain sur la planche et nous pourrions avoir des surprises. Il n'est pas impossible, par exemple, que l'on finisse par découvrir que l'expansion accélérée de l'Universexpansion accélérée de l'Univers observable n'est pas due à l'énergie noireénergie noire. Peut-être aussi faudra-t-il abandonner l'existence de la matière noire au profit d'une modification des équationséquations de la mécanique céleste newtonienne.

Une présentation de la découverte de Chandra. Traduction et sous-titrages en français en cliquant sur la roue crantée en bas de la vidéo. © Chandra X-ray Observatory

Des baryons chassés grâce aux rayons X des quasars

Nous somme de toute façon sur un terrain beaucoup plus solidesolide avec ce qui peut s'appeler le problème des protonsprotons perdus du Big BangBig Bang (lire ci-dessous nos articles). Rappelons qu'il apparaît, lorsque l'on calcule la densité de matière baryonique normale dans le cosmos observable -- et ce, à partir des contraintes de la nucléosynthèsenucléosynthèse primordiale qui relie cette densité aux rapports d'abondance des noyaux les plus légers, c'est-à-dire, en ce qui concerne les isotopesisotopes, de l'hydrogènehydrogène et de l'héliumhélium. Il y a alors de la matière baryonique manquante sous forme d'étoileétoile ou de gazgaz dans les galaxies. Nous sommes beaucoup plus certains de ce résultat qu'en ce qui concerne la masse manquante sous forme de matière noire.

On a avancé depuis longtemps que ces protons manquants se trouvaient très probablement dans le Warm-Hot Intergalactic Medium (WHIM), c'est-à-dire sous forme de filaments de gaz chaud entre les galaxies. Plusieurs observations soutiennent cette hypothèse depuis quelques années. C'est maintenant au tour du satellite ChandraChandra de la NasaNasa de conforter cette solution à l'énigme des protons, et plus généralement des baryonsbaryons manquants, et à l'aide de mesures effectuées dans le domaine des rayons Xrayons X (celles obtenues dans le même domaine de longueur d'ondelongueur d'onde avec le télescope spatialtélescope spatial XMM-NewtonNewton allaient déjà dans ce sens il y a quatre ans) comme le prouve un article disponible sur arXiv.

Les filaments de baryons perdus ne sont pas détectables en lumièrelumière visible mais ils pouvaient l'être indirectement avec des rayons X qu'ils sont en mesure d'absorber. La mesure est cependant difficile : les télescopes en rayons X ne peuvent pas être aussi performants que des télescopes fonctionnant à des longueurs d'ondes plus élevées, mais surtout parce qu'il existe un bruit qui s'ajoute au signal recherché dans le spectrespectre utilisé. En l'occurrence, il s'agit du spectre des émissionsémissions en rayons X produites par la matière qui s'accrète autour d'un trou noirtrou noir super massif au cœur d'un quasar situé à environ 3,5 milliards d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée.

Des filaments de matière à un million de kelvins

Pour faire émerger ce bruit, les cosmologistes ont commencé par estimer la présence de 17 filaments présents entre nous et le quasar, grâce à des observations dans le domaine des ultravioletsultraviolets. Il s'agissait aussi surtout d'estimer leur distance, et donc l'effet exact du décalage vers le rougedécalage vers le rouge de la raie d'absorptionabsorption des rayons X d'atomesatomes d'oxygèneoxygène ionisés, présent dans le WHIM. Cela permettait déjà de faire baisser le bruit de fond en se concentrant sur des régions des spectres où l'information devait se trouver. En complément, ces spectres ont été empilés les uns sur les autres pour les mêmes raisons.

Les chercheurs ont alors, non seulement, bien mis en évidence les raies d'absorption cherchées, mais cela leur a permis de calculer la quantité de baryons présents dans les filaments du WHIM ainsi que leur température : environ un million de degrés kelvinskelvins. La quantité estimée est conforme à celle attendue si les protons et les neutronsneutrons perdus du Big Bang sont bel et bien dans le WHIM.

Il reste encore à confirmer cette découverte avec d'autres quasars mais il y a de moins en moins de raison de penser que l'énigme des baryons perdus persiste.

Les protons perdus du Big Bang enfin retrouvés ?

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 28/06/2018

Une partie des protons et des neutrons présents lors du Big Bang manquaient à l'appel, d'après la théorie de la nucléosynthèse primordiale et les observations. Mais les scientifiques sont de plus en plus convaincus de les avoir trouvés, cachés sous forme de noyaux légers, très chauds mais très peu lumineux, dans des filaments de matière, entre les amas de galaxiesamas de galaxies.

La théorie de la nucléosynthèse primordiale nous permet d'expliquer les rapports d'abondance de l'hélium et de l'hydrogène dans les étoiles, en moyenne. C'est d'ailleurs un des piliers de la théorie du Big Bang. L'estimation des abondances de deutérium dans les galaxies est sensible à la densité de matière baryonique dans le cosmos observable ; elle est, elle aussi, un sous-produit de cette nucléosynthèse.

C'est pour cette raison que l'on sait qu'il n'y a pas assez de protons et de neutrons dans l'univers pour rendre compte de la masse de la matière noire qui, si elle existe, est forcément formée de particules qui n'ont jamais été observées en laboratoire ou dans les rayons cosmiquesrayons cosmiques (si l'on excepte une petite portion de la matière noire qui est formée des neutrinosneutrinos peu massifs du modèle standardmodèle standard).

Toutefois, lorsque l'on fait le bilan des protons (et des neutrons) qui sont présents dans les étoiles des galaxies, la matière du milieu interstellaire, et même celle formant le gaz chaud intergalactique qui rayonne en rayons X, le compte n'y est pas. C'est l'énigme de la matière baryonique manquante (qui ne doit pas être confondue avec celle de la matière noire ou encore celle de l'antimatière cosmologique manquante)). En fait, environ 30 % de la matière baryonique manque à l'appel (10 % se trouve dans les galaxies et 60 % dans les amas de galaxies, entre celles-ci).

Deux diagrammes : l'un, à gauche, montrant la composition de l'univers observable (dark energy, énergie noire : 70 % ; dark matter, matière noire : 25 % ; ordinary matter, matière ordinaire : 5 %) et l'autre, à droite, montrant la composition de la matière baryonique, en prenant en compte les résultats de l'étude détaillée ici (hot intergalactic gas, gaz intergalactique chaud : jusqu'à 40 % ; cool intergalactic gas, gaz intergalactique froid : 28 % ; warm intergalactic gas, gaz intergalactique tiède : 15 % ; stars in galaxies, étoiles dans les galaxies : 7 % ; hot gas in galaxies, gaz chaud dans les galaxies : 5 % ; hot gas in galaxy clusters, gaz chaud dans les amas de galaxies : 4 % ; cold gas in galaxies, gaz froid dans les galaxies : 1,8 %). Protons et neutrons ne sont pas majoritairement dans les galaxies et encore moins sous forme d'étoiles. © ESA

Des filaments de matière entre les amas de galaxies

Les astrophysiciensastrophysiciens pensent savoir depuis quelque temps déjà où se trouvent ces baryons. D'ailleurs, ces dernières années, les observations se font de plus en plus convaincantes et précises pour confirmer leurs soupçons, comme Futura l'expliquait déjà dans un précédent article (voir ci-dessous).

Une équipe internationale de chercheurs, comme leurs collègues avant eux, a utilisé les observations dans le domaine des rayons X fournies par le télescope en orbiteorbite XMM Newton, de l'ESAESA, pour mettre indirectement en présence, entre les amas, des filaments de matière baryonique chaude portée à environ un million de degrés. Dirigée par Fabrizio Nicastro, de l'Italian Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) et du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, cette équipe vient de publier dans Nature un article disponible librement sur arXiv.

Une vision d'artiste de la détection des baryons manquants du Big Bang sous forme de raies d'absorption dans la lumière X issue d'un quasar passant à travers des filaments de matière inter-amas et observée par XMM Newton. © ESA, Princeton University, Renyue Cen

Des baryons manquants du Big Bang trahis par de l'oxygène

La méthode de détection a consisté à pointer XMM Newton en direction de la source 1ES 1553, distante de plus de 7 milliards d'années-lumière de la Voie lactée. C'est un objet BL Lacertae, c'est-à-dire un type de galaxies actives possédant un quasar, un noyau actif nommé d'après l'objet typique BL Lacertae (le noyau actif d'une galaxie située dans la direction de la constellationconstellation boréale du Lézard et découvert en 1929).

En traversant des filaments de matière entre les galaxies et les amas de galaxies, la lumière de 1ES 1553 a produit des raies d'absorption en interagissant avec la matière des amas, en l'occurrence des atomes d'oxygène ionisés. Bien que n'étant pas les constituants principaux de ces filaments, ces atomes ont signalé indirectement la présence des baryons manquants et, surtout, ont permis d'évaluer leur quantité présente.

Cette détection est en bon accord avec les modèles prédisant que ces baryons sont bien dans ce genre de filaments, ce qui renforce la conviction des astrophysiciens pensant que l'énigme des protons manquants du Big Bang est résolue.

L'énigme des protons manquants bientôt résolue ?

Article de Laurent Sacco publié le 04/12/2015

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-Newtonsatellites XMM-Newton et PlanckPlanck le suggéraient déjà depuis huit ans et une équipe internationale d'astrophysiciens vient enfin de le confirmer.

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 nuagesnuages 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'antimatièreantimatière.

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 gravitationforce 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 numériquessimulations numériques tentant de reproduire la formation des grandes structures de l'univers observable. Malheureusement, cette partie de la toile d'araignéearaignée 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'AstrophysiqueAstrophysique 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.