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Les astronomes ont passé des décennies à chercher quelque chose qui semblerait difficile à manquer: environ un tiers de la matière « normale » de l’Univers. Les nouveaux résultats de l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA pourraient les avoir aidés à localiser cette étendue insaisissable de matière manquante.

Chandra aurait permis de trouver la matière manquante

À partir d’observations indépendantes et bien établies, les scientifiques ont calculé avec une très bonne précision combien de matière normale – à savoir l’hydrogène, l’hélium et d’autres éléments – existait juste après le Big Bang. Entre les premières minutes et les premiers milliards d’années, une grande partie de la matière normale s’est infiltrée dans les poussières, gaz et objets cosmiques, tels que les étoiles et les planètes, que les télescopes peuvent voir dans l’Univers actuel.
Le problème est que, quand les astronomes additionnent la masse de toute la matière normale de l’Univers actuel, environ un tiers de celle-ci est introuvable. (Cette matière manquante est distincte de la matière noire encore mystérieuse.)
Une idée est que la masse manquante se soit accumulée en gigantesques brins ou filaments de gaz tiède (température inférieure à 100 000 Kelvin) et chaud (température supérieure à 100 000 Kelvin) dans un espace intergalactique. Les astronomes appellent ces filaments le « moyen intergalactique tiède-chaud » ou WHIM (warm-hot intergalactic medium). Ils sont invisibles aux télescopes à lumière optique, mais une partie du gaz tiède contenu dans ces filaments a été détectée dans la lumière ultraviolette.
En utilisant une nouvelle technique, les chercheurs ont trouvé de nouvelles preuves solides de la composante chaude du WHIM à partir des données de Chandra et d’autres télescopes.
« Si nous trouvons cette masse manquante, nous pourrons résoudre l’un des plus gros problèmes d’astrophysique », a déclaré Orsolya Kovacs du Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian (CfA) à Cambridge, Massachusetts. « Où l’Univers a-t-il caché une si grande partie de sa matière qui compose des objets comme les étoiles, les planètes et nous? »

Des filaments de gaz tiède 

Les astronomes ont utilisé Chandra pour rechercher et étudier des filaments de gaz tiède se trouvant le long du chemin menant à un quasar, une source lumineuse de rayons X alimentée par un trou noir supermassif en croissance rapide. Ce quasar est situé à environ 3,5 milliards d’années-lumière de la Terre.
Si le composant de gaz tiède du WHIM est associé à ces filaments, une partie des rayons X du quasar serait absorbée par ce gaz chaud. Ils ont donc cherché une signature de gaz chaud gravée dans la lumière du rayon X du quasar détectée par Chandra.
L’un des défis de cette méthode est que le signal d’absorption par le WHIM est faible par rapport à la quantité totale de rayons X provenant du quasar. Lors de la recherche de tout le spectre de rayons X à différentes longueurs d’onde, il est difficile de distinguer de telles caractéristiques d’absorption faible – les signaux réels du WHIM – des fluctuations aléatoires.
Kovacs et son équipe ont résolu ce problème en concentrant leurs recherches uniquement sur certaines parties du spectre lumineux des rayons X, réduisant ainsi le risque de faux positifs. Pour ce faire, ils ont d’abord identifié les galaxies situées près de la ligne de mire du quasar, situées à la même distance de la Terre que des régions de gaz tiède détectées à partir de données ultraviolettes. Avec cette technique, ils ont identifié 17 filaments possibles entre le quasar et nous et ont obtenu leurs distances.
En raison de l’expansion de l’Univers, qui étire la lumière lorsqu’elle se déplace, toute absorption des rayons X par la matière dans ces filaments sera déplacée vers des longueurs d’onde plus rouges. L’importance des décalages dépend des distances connues par rapport au filament. L’équipe a donc su où chercher dans le spectre l’absorption à partir du WHIM.
« Notre technique est similaire en principe à la manière de mener une recherche des animaux dans les vastes plaines d’Afrique », a déclaré Akos Bogdan, coauteur également de la CfA. « Nous savons que les animaux ont besoin de boire, il est donc logique de commencer par chercher des points d’eau. »
Bien que la recherche ait été réduite, les chercheurs ont également dû surmonter le problème de la faiblesse de l’absorption des rayons X. Ils ont donc augmenté le signal en additionnant les spectres de 17 filaments, transformant une observation de 5,5 jours en une quantité de données équivalente à près de 100 jours. Avec cette technique, ils ont détecté de l’oxygène avec des caractéristiques suggérant que c’était dans un gaz d’une température d’environ un million de degrés Kelvin.

En extrapolant ils peuvent expliquer la quantité complète de la matière manquante

En extrapolant à partir de ces observations d’oxygène à l’ensemble des éléments et de la région observée à l’Univers local, les chercheurs indiquent qu’ils peuvent expliquer la quantité complète de la matière manquante. Au moins dans ce cas particulier, la question manquante se cachait après tout dans le WHIM.

« Nous étions ravis d’avoir pu retrouver une partie de cette question manquante », a déclaré le coauteur, Randall Smith, également de la CfA. « À l’avenir, nous pourrons appliquer cette même méthode à d’autres données de quasars pour confirmer que ce mystère de longue date a enfin été résolu. »
Un article décrivant ces résultats a été publié dans The Astrophysical Journal le 13 février 2019.
Le centre de vol spatial Marshall de la NASA à Huntsville, en Alabama, gère le programme Chandra pour la direction de la mission scientifique de la NASA à Washington. Le Smithsonian Astrophysical Observatory de Cambridge, dans le Massachusetts, contrôle les activités scientifiques et aériennes de Chandra.
Source : Chandra X-ray Center (NASA)
Crédit photo et vidéo : Pixabay / NASA