Les astronomes ont passé des décennies à chercher quelque chose qui semble 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 les ont peut-être aidés à localiser cette étendue insaisissable de matière manquante.

D'indépendant, observations bien établies, les scientifiques ont calculé avec confiance la quantité de matière normale, c'est-à-dire l'hydrogène, l'hélium et d'autres éléments existaient juste après le Big Bang. Entre les premières minutes et le premier milliard d'années environ, une grande partie de la matière normale s'est retrouvée dans la poussière cosmique, le gaz et les objets tels que les étoiles et les planètes que les télescopes peuvent voir dans l'Univers actuel.

Le problème est que lorsque 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 s'est rassemblée en de gigantesques brins ou filaments de chaud (température inférieure à 100, 000 Kelvin) et chaud (température supérieure à 100, 000 Kelvin) de gaz dans l'espace intergalactique. Ces filaments sont connus par les astronomes sous le nom de "milieu intergalactique chaud-chaud" ou WHIM. Ils sont invisibles aux télescopes optiques à lumière, mais une partie du gaz chaud dans les filaments a été détectée dans la lumière ultraviolette.

Grâce à une nouvelle technique, les chercheurs ont trouvé de nouvelles preuves solides de la composante chaude du WHIM sur la base des données de Chandra et d'autres télescopes.

"Si nous trouvons cette masse manquante, nous pouvons résoudre l'une des plus grandes énigmes de l'astrophysique, " a déclaré Orsolya Kovacs du Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) à Cambridge, Massachusetts. « Où l'univers a-t-il caché autant de sa matière qui compose des choses comme des étoiles et des planètes et nous ? »

Les astronomes ont utilisé Chandra pour rechercher et étudier des filaments de gaz chaud 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 la composante gaz chaud du WHIM est associée à ces filaments, certains des rayons X du quasar seraient absorbés par ce gaz chaud. Par conséquent, ils ont recherché une signature de gaz chaud imprimée dans la lumière des rayons 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 des rayons X à différentes longueurs d'onde, il est difficile de distinguer ces faibles caractéristiques d'absorption - les signaux réels du WHIM - des fluctuations aléatoires.

Kovacs et son équipe ont surmonté ce problème en concentrant leurs recherches uniquement sur certaines parties du spectre lumineux des rayons X, réduire la probabilité de faux positifs. Ils l'ont fait en identifiant d'abord les galaxies proches de la ligne de mire du quasar qui sont situées à la même distance de la Terre que les régions de gaz chaud détectées à partir des données ultraviolettes. Avec cette technique ils ont identifié 17 filaments possibles entre le quasar et nous, et obtenu leurs distances.

En raison de l'expansion de l'univers, qui étend la lumière en voyageant, toute absorption de rayons X par la matière dans ces filaments sera déplacée vers des longueurs d'onde plus rouges. Les quantités des décalages dépendent des distances connues au filament, l'équipe savait donc où chercher dans le spectre l'absorption du WHIM.

"Notre technique est similaire en principe à la façon dont vous pourriez mener une recherche efficace d'animaux dans les vastes plaines d'Afrique, " dit Akos Bogdan, un co-auteur également de CfA. "Nous savons que les animaux ont besoin de boire, il est donc logique de chercher d'abord autour des points d'eau."

Tout en affinant leur recherche a aidé, les chercheurs ont également dû surmonter le problème de la faiblesse de l'absorption des rayons X. Donc, ils ont amplifié le signal en additionnant les spectres de 17 filaments, transformer une observation de 5,5 jours en l'équivalent de près de 100 jours de données. Avec cette technique, ils ont détecté de l'oxygène avec des caractéristiques suggérant qu'il se trouvait dans un gaz d'une température d'environ un million de degrés Kelvin.

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

"Nous étions ravis d'avoir pu retrouver une partie de cette matière manquante", a déclaré le co-auteur Randall Smith, aussi de 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 le Journal d'astrophysique le 13 février, 2019.