La moitié du gaz d'hydrogène de l'univers, longtemps inexpliqué, a été découverte
par Robert Sanders, Université de Californie à Berkeley
Représentation artistique du halo de gaz d'hydrogène chaud entourant la Voie Lactée (au centre) et deux galaxies satellites, le Grand et le Petit Nuage de Magellan. Ce halo est plus étendu que ne le pensaient les astronomes et contient suffisamment d'hydrogène pour résoudre le problème de la masse baryonique manquante de l'univers. Crédits : NASA/CXC/M.Weiss ; NASA/CXC/Ohio State/A Gupta et al.
Les astronomes qui comptabilisent toute la matière normale – étoiles, galaxies et gaz – présente dans l'univers actuel sont arrivés à un résultat bien inférieur à la quantité totale de matière produite lors du Big Bang il y a 13,6 milliards d'années. En réalité, plus de la moitié de la matière normale – la moitié des 15 % de la matière de l'univers qui ne sont pas de la matière noire – ne peut être expliquée par les étoiles et le gaz brillants que nous observons.
De nouvelles mesures semblent cependant avoir permis de découvrir cette matière manquante sous la forme d'hydrogène ionisé, très diffus et invisible, formant un halo autour des galaxies et plus dense et étendu que ne le pensaient les astronomes.
Ces résultats non seulement dissipent une contradiction entre les observations astronomiques et le modèle le plus fiable et éprouvé de l'évolution de l'univers depuis le Big Bang, mais suggèrent également que les trous noirs massifs au centre des galaxies sont plus actifs qu'on ne le pensait, libérant du gaz bien plus loin du centre galactique que prévu – environ cinq fois plus loin, selon l'équipe.
« Nous pensons qu'en nous éloignant davantage de la galaxie, nous récupérons tout le gaz manquant », a déclaré Boryana Hadzhiyska, chercheuse postdoctorale Miller à l'Université de Californie à Berkeley et première auteure d'un article présentant ces résultats. « Pour être plus précis, nous devons procéder à une analyse minutieuse à l'aide de simulations, ce que nous n'avons pas fait. Nous voulons un travail minutieux. »
« Les mesures sont certainement cohérentes avec la découverte de la totalité du gaz », a déclaré sa collègue, Simone Ferraro, chercheuse principale au Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) et à l'UC Berkeley, qui a décelé des traces de ce vaste halo d'hydrogène ionisé dans des analyses publiées il y a trois ans.
Les résultats de l'étude, co-écrits par 75 scientifiques d'institutions du monde entier, ont été présentés lors de récentes réunions scientifiques, publiés en prépublication sur arXiv et sont en cours d'évaluation par les pairs dans la revue Physical Review Letters. Hadzhiyska et Ferraro sont chercheuses au Centre de physique cosmologique de Berkeley, au département de physique de l'UC Berkeley, ainsi qu'au Berkeley Lab.
Pour détecter le faible signal d'hydrogène gazeux ionisé autour de galaxies rouges très brillantes, les chercheurs ont superposé des images de plus d'un million de galaxies. Ces quatre images représentent des empilements de galaxies à différentes distances de la Terre, montrant uniquement la gamme de fréquences électromagnétiques affectée par la diffusion des électrons (effet cinématique Sunyaev-Zel’dovich). Les couleurs bleu et vert représentent les infimes fluctuations de température du rayonnement de fond diffus cosmologique (FDC). Le centre jaune indique la lumière du FDC diffusée par la vaste enveloppe d'hydrogène gazeux qui entoure ces galaxies. En lumière visible, les galaxies apparaîtraient comme quelques pixels au centre de la tache jaune. Crédit : Boryana Hadzhiyska et Simone Ferraro, d'après les données de DESI et ACT ; Hadzhiyska et al.
Galaxies empilées
Si la matière noire, encore mystérieuse, constitue l'essentiel (environ 84 %) de la matière de l'univers, le reste est de la matière normale. Seulement 7 % environ de la matière normale se présente sous forme d'étoiles, le reste étant sous forme d'hydrogène gazeux invisible, en grande partie ionisé, présent dans les galaxies et les filaments qui les relient dans une sorte de réseau cosmique.
Le gaz ionisé et les électrons associés qui s'étendent dans ce réseau de filaments sont appelés le milieu intergalactique chaud-chaud, qui est trop froid et trop diffus pour être vu avec les techniques habituelles à la disposition des astronomes, et est donc resté insaisissable.
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont estimé la distribution de l'hydrogène ionisé autour des galaxies en superposant des images d'environ 7 millions de galaxies, toutes situées à environ 8 milliards d'années-lumière de la Terre, et en mesurant la légère atténuation ou l'éclaircissement du fond diffus cosmologique provoqué par la diffusion du rayonnement par les électrons dans le gaz ionisé, ce que l'on appelle l'effet cinématique Sunyaev-Zel'dovich.
« Le fond diffus cosmologique se trouve à l'arrière-plan de tout ce que nous voyons dans l'univers. C'est la limite de l'univers observable », explique Ferraro. « On peut donc l'utiliser comme rétroéclairage pour voir où se trouve le gaz. »
Les images de galaxies utilisées – toutes des galaxies rouges lumineuses – ont été recueillies par l'instrument spectroscopique d'énergie sombre (DESI) du télescope Mayall de 4 mètres de l'observatoire national de Kitt Peak à Tucson, en Arizona. L'instrument, construit par une collaboration basée au Berkeley Lab, étudie des dizaines de millions de galaxies et de quasars afin de construire une carte 3D de l'univers jusqu'à 11 milliards d'années-lumière de la Terre. Cette carte permettra de mesurer l'effet de l'énergie noire sur l'expansion de l'univers.
Les mesures du fond diffus cosmologique (FDC) autour de ces galaxies ont été réalisées par le télescope de cosmologie d'Atacama (ACT), au Chili. Ce télescope a réalisé les mesures les plus précises à ce jour avant son démantèlement en 2022.
L'analyse a été réalisée en collaboration avec Bernardita Ried Guachalla, étudiante diplômée de l'Université de Stanford, Emmanuel Schaan, chercheur au Laboratoire national de l'accélérateur SLAC à Menlo Park, et les équipes DESI et ACT.
Carte du rayonnement du fond diffus cosmologique obtenue par le télescope de cosmologie d'Atacama. Les deux cercles indiquent les endroits où l'hydrogène gazeux ionisé a diffusé le rayonnement, laissant une signature permettant d'estimer la quantité de gaz entourant les galaxies. Crédit : ACT ; Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2017). DOI : 10.1088/1475-7516/2017/06/031
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Rétroaction galactique
Les astronomes ont généralement pensé que les trous noirs massifs situés au centre des galaxies expulsaient du gaz sous forme de jets de matière uniquement pendant leurs années de formation, lorsque le trou noir central engloutit du gaz et des étoiles et produit un rayonnement important. C’est ce que les astronomes appellent des noyaux actifs de galaxie (NAG), ou quasars.
Si, comme le suggère la nouvelle étude, le halo d'hydrogène ionisé autour des galaxies est plus diffus, mais aussi plus étendu, qu'on ne le pensait, cela implique que les trous noirs centraux pourraient en réalité devenir actifs à d'autres moments de leur vie.
« Un problème que nous ne comprenons pas concerne les AGN, et l'une des hypothèses est qu'ils s'activent et se désactivent occasionnellement selon ce qu'on appelle un cycle de service », a déclaré Hadzhiyska.
Les astronomes décrivent l'expulsion de gaz et sa rechute ultérieure dans le disque galactique comme une rétroaction régulant la formation de nouvelles étoiles dans toute la galaxie. Ferraro, Schaan et leurs collègues ont signalé des indices d'une rétroaction plus étendue lors de travaux antérieurs en 2020, lorsque Schaan était chercheur postdoctoral au Berkeley Lab.
Mais ces nouveaux travaux intègrent davantage de galaxies et produisent une mesure plus précise. Des travaux ultérieurs de Ried Guachalla ont confirmé les résultats avec l'échantillon spectroscopique DESI et ont permis d'étudier le gaz dans des galaxies plus proches, soulignant que le gaz n'est pas distribué uniformément autour d'elles, mais suit des « filaments cosmiques » qui
Hadzhiyska a souligné que les simulations actuelles de l'évolution des galaxies devront intégrer cette rétroaction plus vigoureuse dans leurs modèles. Certains nouveaux modèles le font déjà afin de produire des simulations plus robustes et plus cohérentes avec les nouvelles données.
L'identification de la matière manquante, ou baryons, dans l'Univers a également des implications pour d'autres aspects de l'évolution cosmique.
« Savoir où se trouve le gaz est devenu l'un des principaux obstacles à l'intégration de la cosmologie dans les études actuelles et futures. Nous avons atteint un seuil critique, et le moment est venu de répondre à ces questions », a déclaré Ferraro. « Une fois que l'on sait où se trouve le gaz, on peut se demander : "Quelles sont les conséquences sur les problèmes cosmologiques ?" »
La collaboration DESI a réalisé la plus grande carte 3D de notre Univers à ce jour et l'utilise pour étudier l'énergie noire. Dans cette visualisation, la Terre est au centre, et chaque point représente une galaxie. Crédit : collaboration DESI et KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor
D'une part, l'expulsion de gaz du cœur de ces galaxies massives remet en question l'hypothèse selon laquelle le gaz suit la matière noire, a déclaré Hadzhiyska. Sous-estimer cette expulsion de gaz peut introduire des incohérences dans les modèles cosmologiques, tandis que les nouveaux résultats pourraient en réalité résoudre certaines questions concernant la complexité de l'univers.
« Un grand nombre de personnes souhaitent utiliser nos mesures pour réaliser une analyse très approfondie incluant ce gaz », a-t-elle déclaré. « Les astronomes y accordent une grande importance pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies.»
La technique utilisée par l'équipe, l'effet cinématique Sunyaev-Zel'dovich, pourrait également être utilisée pour sonder l'univers primordial, a ajouté Hadzhiyska. Cela pourrait apporter un éclairage sur la structure à grande échelle de l'univers et les lois de la physique de l'univers primordial, et permettre aux scientifiques de tester la gravité et la relativité générale.
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RESYME
La moitié de l'hydrogène gazeux de l'univers, longtemps méconnu, a été découverte
Les astronomes, en comptabilisant toute la matière normale de l'univers – étoiles, galaxies et gaz –, sont arrivés à un résultat bien inférieur à la quantité totale de matière produite lors du Big Bang il y a 13,6 milliards d'années. En réalité, plus de la moitié de la matière normale – la moitié des 15 % de la matière de l'univers qui ne sont pas de la matière noire – ne peut être expliquée par les étoiles et le gaz brillants que nous observons.
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COMMENTAIRES
Leur conclusion ne me semble pas nette et je ne crois pas que nous soyons en état d 'evaluer avec une telle précision les sources ou les origines de l hydrogène ....D 'autant que le modèle du bigbang est toujours remis en cause !
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More information: B. Hadzhiyska et al, Evidence for large baryonic feedback at low and intermediate redshifts from kinematic Sunyaev-Zel'dovich observations with ACT and DESI photometric galaxies, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2407.07152
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
Provided by University of California - Berkeley
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