Des filaments géants sillonnent l’univers, reliant les amas de galaxies telles des autoroutes entre les villes. Leur forme et leur structure recèlent des informations cruciales sur le contenu et l’histoire de l’univers. Cependant, leur forme complexe les rend extrêmement difficiles à mesurer. Des chercheurs ont présenté une nouvelle méthode de mesure de la masse de ces filaments, qui pourrait permettre de percer les secrets de la matière noire et de l’énergie noire.
À sa plus grande échelle, notre Univers ressemble à une toile. On l’appelle à juste titre toile cosmique, car c’est la plus grande structure naturelle. Au sein de cette toile cosmique se trouvent de petits amas compacts de galaxies, appelés amas de galaxies. Entre ces amas se trouvent des vides, de vastes espaces pratiquement vides. Des fils relient ces amas.
Chaque filament forme le noyau d’un superamas et peut s’étendre sur des dizaines de millions d’années-lumière et contenir jusqu’à des centaines de milliers de galaxies.
La forme détaillée de la toile cosmique et ses structures complexes ont une longue histoire. Elle est apparue il y a plus de 13 milliards d’années, à l’aube de l’univers, lorsque les étoiles et les galaxies ont illuminé l’espace pour la première fois. La structure moderne de la toile cosmique nous renseigne sur cette évolution et est étroitement liée aux propriétés de la matière ordinaire, de la matière noire et de l’énergie noire. Toute modification de l’une de ces composantes crée un nouveau modèle dans la toile cosmique.
Filaments de matière noire. ESA/Springel et al., Consortium Virgo
Depuis des décennies, les astronomes utilisent des statistiques simples sur la toile cosmique, comme la distance moyenne entre les galaxies, pour mieux comprendre ces composantes cosmologiques fondamentales. Mais comme nous ne comprenons toujours pas pleinement la nature de la matière noire et de l’énergie noire, les cosmologistes souhaitent ardemment en savoir plus sur les détails de la toile cosmique.
Les filaments représentent une clé pour comprendre la nature de la matière noire et de l’énergie noire. Contrairement aux amas de galaxies, les filaments ne se sont pas encore complètement effondrés. Cependant, ils contiennent encore beaucoup plus de matière que l’espace vide. Par conséquent, modifier la quantité de matière noire et d’énergie noire pourrait modifier la longueur, la largeur et la densité moyennes des filaments.
Mais peser le filament est actuellement très difficile. En effet, la majeure partie de sa masse est constituée de matière noire, invisible à nos observations. Nous ne pouvons cartographier que les galaxies visibles et utiliser ces données pour déterminer la masse et la structure réelles du filament.
Récemment, dans un article accepté pour publication dans The Astrophysical Journal, des chercheurs ont proposé une méthode pour y parvenir. Ils ont calibré leurs méthodes en fonction de modèles cosmologiques qui suivent l’évolution de la matière noire, des étoiles et des galaxies. Ils ont découvert une relation utile entre une quantité appelée «dispersion du décalage vers le rouge des galaxies» et la masse de matière noire.
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En moyenne, les galaxies s’éloignent de nous dans l’univers en expansion. Cependant, elles peuvent subir un mouvement supplémentaire en raison de leur environnement gravitationnel local. Par exemple, si l’on observe un filament, certaines galaxies peuvent se déplacer légèrement vers nous, tandis que d’autres s’en éloignent légèrement. Les galaxies qui se rapprochent de nous présenteront un léger décalage vers le bleu de leurs longueurs d’onde, tandis que celles qui s’en éloignent subiront un léger décalage vers le rouge.
Les chercheurs ont prélevé des sections de chaque filament et ont établi une carte de la distribution de ces décalages vers le rouge afin d’obtenir une idée de la répartition des vitesses des galaxies. Ils ont ensuite relié cette répartition à la masse de matière noire présente dans cette section du filament. Ils ont constaté une relation étroite entre ces deux quantités, ce qui leur a permis de reconstituer la masse de matière noire cachée dans le filament en utilisant uniquement les propriétés observées des galaxies.
Cependant, ce n’est qu’une première étape. Les chercheurs continueront d’étudier la relation entre la vitesse des galaxies et la masse de matière noire afin de développer une méthode efficace et fiable d’estimation de cette masse. Ensuite, grâce à des simulations, ils pourront observer l’évolution de ces quantités selon différents scénarios cosmologiques. L’étape finale consistera à appliquer cette méthodologie à des relevés de galaxies réels afin de découvrir ce que les filaments peuvent nous révéler sur les recoins cachés de l’univers.
Début 2024, les astronomes ont détecté pour la première fois de la matière noire, suspendue à des filaments massifs qui s’étendent à travers l’univers et forment une «toile cosmique» qui enveloppe les galaxies comme une toile d’araignée enveloppant la rosée du matin.
Des chercheurs de l’Université Yonsei de Séoul, en Corée du Sud, ont utilisé le télescope Subaru – un télescope optique infrarouge de 8,2 mètres situé près du sommet du Maunakea à Hawaï – et l’effet de la gravité sur la lumière pour observer indirectement la matière noire enchâssée dans les filaments de la toile cosmique de l’amas de Coma. Les résultats de l’équipe ont été publiés en janvier 2024 dans la revue Nature Astronomy.
Il s’agit de la toute première détection de matière noire dans la toile cosmique et elle pourrait aider à confirmer comment cette structure – dont les fils s’étendent sur des dizaines de millions d’années-lumière – a influencé l’évolution de l’Univers.
L’amas de Chevelure, aussi appelé Abell 1656, est un ensemble de plus d’un millier de galaxies situé à environ 321 millions d’années-lumière dans la constellation de la Chevelure de Bérénice. De par sa taille colossale et sa relative proximité, l’amas de Chevelure est un lieu idéal pour les scientifiques à la recherche de matière noire dans les brins de la toile cosmique.
Le schéma montre comment la lumière provenant d’une source d’arrière-plan est déviée par sa masse, créant un effet appelé lentille gravitationnelle. NASA, ESA et L. Calzada
La toile cosmique est un réseau de filaments composés de matière qui alimente les galaxies en gaz, favorisant ainsi leur croissance. Cette toile contribue également à lier les galaxies entre elles, donnant naissance aux amas de galaxies.
Les principaux brins de la toile cosmique sont eux-mêmes les murs des superamas de galaxies, le mur correspondant à l’amas de Chevelure étant connu sous le nom de «Grand Mur». Ce fut en fait la première structure géante découverte dans l’Univers.
On pense que les amas de galaxies se rassemblent aux intersections des filaments, mais ces filaments se termineraient entre les galaxies, formant ce que l’on appelle des «filaments intrascopiques». La matière noire se déplacerait le long de ces filaments de la toile cosmique, suspendue à ces filaments intrascopiques.
Bien que la toile cosmique, la plus grande structure de l’Univers, soit connue depuis des décennies, les astronomes n’ont observé que la faible lueur de ses filaments gazeux lorsqu’ils étaient illuminés par des régions brillantes au centre de galaxies alimentées par des trous noirs supermassifs. Ces trous noirs actifs sont appelés quasars.
En 2023, l’imageur Keck Cosmic Web, également au sommet du Maunakea, a capté pour la première fois la lumière directe émanant des fins filaments de la toile, qui s’entrecroisent et s’étendent jusqu’aux confins les plus sombres de l’espace. Ces filaments sont situés dans des zones isolées entre les galaxies, dans les parties les plus vastes et les plus cachées de la toile cosmique.
Cependant, «voir» l’emplacement de la matière noire autour de ces brins de la toile cosmique est une toute autre histoire.
Modèle informatique des galaxies entourées de filaments de gaz qui constituent la toile cosmique. Yannick Bache
C’est parce que, bien que la matière noire représente environ 85% de toute la matière de l’Univers, elle est invisible car elle n’interagit pas avec la lumière comme le fait la matière ordinaire, qui constitue les étoiles et la poussière.
La domination de la matière noire sur la matière ordinaire signifie également qu’elle domine les fils de la toile cosmique, formant les échafaudages invisibles le long desquels se forme la structure de l’univers.
Cependant, bien que la matière noire n’interagisse pas avec la lumière, elle interagit avec la gravité, et cette interaction affecte le mouvement de la matière et de la lumière quotidiennes que nous pouvons voir.
Une équipe de chercheurs a utilisé ce concept pour détecter de la matière noire dans les filaments de la toile cosmique qui traverse l’amas de Coma.
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La théorie de la gravité d’Albert Einstein (1915), connue sous le nom de relativité générale, propose que les objets dotés d’une masse provoquent une courbure de l’espace-temps. Cette théorie explique que ce que nous percevons comme la gravité provient de cette courbure. De plus, lorsque la lumière provenant d’une source d’arrière-plan traverse cette courbure, sa trajectoire est modifiée.
Cela peut donner l’impression que les sources d’arrière-plan sont déplacées dans le ciel, amplifiées ou, dans certains cas extrêmes, qu’elles apparaissent même en plusieurs points de la même image. C’est ce qu’on appelle l’effet de lentille gravitationnelle.
La lentille gravitationnelle utilise la gravité comme une loupe. On place d’abord un grand puits gravitationnel (comme de la matière noire) à étudier entre soi et une source lumineuse (comme une étoile ou une galaxie). On observe ensuite comment la lumière se propage vers soi depuis cette source. La lumière se réfracte et se tord autour du puits gravitationnel, ce qui permet de déduire des informations sur l’objet en son centre, comme sa masse.
Et s’il semble vraiment qu’il n’y a rien entre vous et la source de lumière, mais que cette lumière est réfractée par quelque chose, alors vous êtes face à une sorte de matière noire.
C’est précisément ce que les scientifiques ont découvert en étudiant l’amas de Coma, un superamas de galaxies situé à 321 millions d’années-lumière, où, selon les astronomes, plusieurs brins du réseau cosmique convergeraient et où, par conséquent, se trouveraient d’abondants filaments de matière noire. En pointant un télescope dans cette direction, les scientifiques ont observé précisément les signaux de lentille gravitationnelle qu’ils espéraient détecter. Faibles, ils étaient néanmoins présents.
Cette découverte est non seulement passionnante car elle confirme l’existence de la toile cosmique dans sa forme originelle, mais l’équipe espère aussi qu’elle nous permettra de mieux comprendre l’évolution de l’univers au fil du temps. Peut-être un jour comprendrons-nous véritablement l’immensité de notre univers.
Ainsi, en utilisant la lumière des galaxies et des étoiles situées derrière l’amas de Coma, et grâce à la haute sensibilité, à la haute résolution et au large champ de vision de l’Hyper Suprime-Cam (HSC) du télescope Subaru, l’équipe a détecté pour la première fois un faible effet de lentille sur la composante de matière noire des filaments intra-amas.
Cette première détection de matière noire aux extrémités de la toile cosmique contribue à confirmer l’existence d’une structure à grande échelle s’étendant dans tout l’Univers.
Une équipe de chercheurs australiens a détecté pour la première fois des ondes de choc dans la toile cosmique. Ces ondes pourraient nous aider à comprendre le rôle des champs magnétiques. Les chercheurs espèrent que l’étude de la lueur énergétique de ces ondes de choc permettra de répondre à des questions sur l’évolution de l’univers.
Les champs magnétiques à l’échelle cosmique sont longtemps restés un mystère pour l’humanité. Mais la découverte d’ondes de choc dans des régions plus fines de la toile cosmique pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre comment ces champs influencent la forme générale de l’univers observable. Elle pourrait également nous aider à comprendre comment la toile cosmique se développe.
Dans une étude de 2023 publiée dans Science Advances, le Centre international de recherche en radioastronomie (ICRAR), basé en Australie, démontre la première détection d’ondes de choc entre amas de galaxies. Ces ondes sont des particules accélérées se déplaçant à travers les amas cosmiques et témoignent de l’omniprésence des champs magnétiques.
«Lorsque la matière fusionne dans l’Univers, elle crée une onde de choc qui accélère les particules, renforçant ainsi les champs magnétiques intergalactiques», a déclaré Tessa Wernstrom de l’Université d’Australie-Occidentale dans un communiqué de presse. «Les champs magnétiques imprègnent l’Univers, des planètes et des étoiles jusqu’aux vastes espaces intergalactiques. Cependant, de nombreux aspects du magnétisme cosmique restent mal compris, notamment aux échelles observées dans la toile cosmique.»
Imaginez la toile cosmique comme l’univers observable à grande échelle: un réseau entrelacé de filaments et d’amas remplis de gaz, de galaxies et de matière noire, sillonnant des vides cosmiques de plusieurs millions d’années-lumière. L’équipe de l’ICRAR souhaitait comprendre le rôle des champs magnétiques à de telles échelles, une tâche qui s’est avérée complexe depuis longtemps.
Ces champs magnétiques, qui imprègnent la toile cosmique, comme l’écrit Wernstrom dans The Conversation, sont créés par des particules énergétiques en mouvement. Elle explique également que la théorie à la base de ce projet prédit que «lorsque la gravité tire sur le fil, des ondes de choc sont générées qui renforcent le champ magnétique et créent une lueur visible par les radiotélescopes». Ces ondes de choc ont été détectées pour la première fois.
Pour détecter ces signaux insaisissables, l’équipe a utilisé un procédé appelé «empilement», qui consiste à superposer plusieurs observations afin d’éliminer le bruit de fond et d’amplifier suffisamment le signal faible pour qu’il soit détecté. Cette méthode a révélé les signatures des ondes de choc recherchées par l’équipe, observées jusqu’alors uniquement lors de collisions d’amas de galaxies.
«Ces ondes de choc émettent des émissions radio qui devraient faire «briller» la toile cosmique dans le spectre radio», explique Wernstrom, «mais elles n’ont jamais été détectées de manière fiable car les signaux sont très faibles.»
Mais la superposition seule s’est avérée insuffisante. La clé a été de combiner cette méthode avec l’observation de la polarisation de ces champs. Selon les travaux de Wernstrom, les ondes de choc à grande échelle «forcent les champs magnétiques à s’ordonner» et les rendent fortement polarisés, c’est-à-dire qu’ils se déplacent dans la même direction.
En combinant les concepts d’empilement et de polarisation, Wernstrom a écrit que l’équipe avait détecté «un excès de lumière fortement polarisée entre les amas, bien plus important que ce que l’on pourrait attendre des galaxies seules. Nous pouvons interpréter cela comme de la lumière provenant d’ondes de choc dans les filaments de connexion.»
Une nouvelle étude offre de nouvelles perspectives sur le rôle des champs magnétiques dans les brins de la toile cosmique. Une meilleure compréhension de l’intensité et de l’importance des champs magnétiques aidera les chercheurs à mieux comprendre la croissance de l’Univers.
«Détecter et étudier cette lueur pourrait non seulement confirmer nos théories sur la formation de la structure à grande échelle de l’Univers», écrit Wernstrom, «mais aussi aider à répondre à des questions sur les champs magnétiques cosmiques et leur signification.»
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