Entre les galaxies, de gigantesques filaments de matière

10 juin 2015

Entre les galaxies, de gigantesques filaments de matière

La présence de filaments de matière baryonique connectant les amas et les superamas de galaxies est une prédiction du modèle cosmologique standard basée sur la matière noire froide. On vient enfin d'en observer un grâce à un quasar. La quantité de gaz intergalactique qu'il contient surprend cependant les cosmologistes.

Sur cette image extraite de la Bolshoi Simulation, un modèle numérique pour simuler la formation des amas et des superamas de galaxies dans le cadre du modèle cosmologique standard avec matière noire et énergie noire, on a fait un zoom pour une région dont la taille est d'environ dix millions d'années-lumière. On y voit l'illumination du gaz intergalactique associée à des filaments de matière noire, et qui forme lui-même un filament. Cette illumination est sous la forme d'une sphère de lumière qui se propage à la suite de l'allumage d'un quasar. © Anatoly Klypin, Joel Primack

Les fluctuations de température du rayonnement fossile sont très faibles. Elles révèlent des fluctuations de densité dans la matière normale quelques centaines de milliers d'années après la naissance de l'univers observable. On pourrait penser que les zones les plus denses doivent être les premières à s’effondrer gravitationnellement pour donner les étoiles et les galaxies. Malheureusement, lorsqu’on simule ce processus sur ordinateur, on parvient à la conclusion que l’univers n’a pas encore eu le temps de former des galaxies !

Il n’y a actuellement qu’une seule façon de résoudre ce paradoxe : postuler la présence de grandes quantités de matière noire. Plus abondante que la matière baryonique normale, elle peut aussi avoir des fluctuations de densité initiales plus importantes sans que cela soit visible directement dans les fluctuations de température du rayonnement fossile, puisque cette matière noire ne se couple pas au champ électromagnétique, ou de façon négligeable.

La « Simulation du millénaire » (Millennium Simulation) conduite à partir du modèle cosmologique standard. Elle reproduit bien la structure filamenteuse de l'univers observable avec des superamas de galaxies formant un réseau de longs filaments qui se forme au cours de l'histoire de l'univers. Les points jaunes représentent des galaxies, et on distingue en mauve violet la distribution de matière noire. © Virgo Consortium, YouTube, cristianfcao

Avec de nouvelles simulations prenant en compte de la matière noire dite froide (parce que les vitesses de ces particules massives sont faibles en moyenne comme dans un gaz froid), tout change. Des paquets de matière noire peuvent s’effondrer rapidement et servir de puits gravitationnels dans lesquels la matière normale va tomber pour former d’abord des étoiles et des galaxies naines. Ces galaxies vont grandir et se rassembler en amas puis en superamas de galaxies. On voit alors lentement apparaître dans les simulations numériques une structure constituée de filaments de matière noire dans lesquels se rassemblent les galaxies connectées par des filaments de matière normale.

Des filaments de matière froide et de matière baryonique

Jusqu’à présent, les simulations numériques comme la Millennium Simulation, la Bolshoi Simulation ou encore Deus (Dark Energy Universe Simulation), qui tiennent compte aussi de l’énergie noire, reproduisent très bien la répartition des amas de galaxies et des superamas en filaments que l’on observe. De grands vides entre ces filaments apparaissent aussi. Il est connu par contre que ces simulations numériques marchent moins bien au niveau des galaxies. On ne sait pas encore si cela est dû à une prise en compte insuffisante du comportement de la matière normale et de son couplage avec la matière noire au niveau de la formation et de l’évolution des galaxies, ou s’il faut faire intervenir une modification de la loi de la gravitation, comme celle proposée dans le cadre de Mond.

En tout état de cause, la structure en forme de filaments de matière normale entre les galaxies que prédisaient les simulations n’avait encore jamais été observée. Les scientifiques savaient que de la matière baryonique intergalactique existait, bien que l’on ignorât les caractéristiques de sa répartition. Cela vient de changer grâce à une équipe internationale d’astrophysiciens qui vient de publier dans Nature un article, également disponible sur arxiv, faisant état de la détection d’un tel filament.

Observé par les instruments du télescope Keck I alors que l'univers observable n'était âgé que de trois milliards d'années environ, le quasar UM287 apparaît entouré d'un filament laiteux. Il s'agirait des émissions en Lyman-alpha de l'hydrogène contenu dans un filament de matière baryonique intergalactique. © S. Cantalupo, UCSC

Un filament long de deux millions d'années-lumière

Pour faire cette découverte, les chercheurs ont utilisé la fameuse raie en émission de l’atome d’hydrogène dans l’ultraviolet dite raie Lyman-alpha. Notée Ly-α, elle est produite par recombinaison de l'hydrogène ionisé et correspond à la transition électronique de n = 2 à n = 1, n étant le nombre quantique principal de l'atome d'hydrogène. Ces raies sont largement présentes dans des nuages d’hydrogène ionisé par le rayonnement des quasars dont ils sont proches. Mais du fait de l’expansion de l’univers, ces raies subissent un décalage spectral vers le rouge d’autant plus prononcé qu’elles sont associées à un quasar loin de nous. On observe d’ailleurs dans le visible et l'infrarouge une véritable forêt de raies Ly-α, mais d'absorption cette fois-ci, ce qui nous permet de faire une sorte de carottage dans les strates de l’histoire du cosmos observable.

Les jets de matière des quasars peuvent s’étendre sur des millions d’années-lumière, et cela faisait quelque temps déjà que les scientifiques cherchaient à observer les filaments de matière normale prédits par le modèle cosmologique standard grâce aux émissions Ly-α qu’ils devaient posséder. Le travail (et sans doute aussi les progrès technologiques) a fini par payer. Les instruments du télescope Keck I, l’un des deux fameux instruments de 10 m équipant l’observatoire W. M. Keck, ont révélé l’existence d’un tel filament s’étendant sur environ deux millions d’années-lumière aux abords du quasar UM287.

Les cosmologistes sont quand même tombés sur une surprise. La quantité de gaz dans le filament semble dix fois plus élevée qu’attendu avec les prédictions des modèles numériques. Il faudra donc réviser et affiner ces modèles. Nul doute que la découverte d’autres filaments leur permettra de disposer d’un véritable laboratoire naturel pour les y aider.