Les chercheurs ont canalisé la première lumière de l'univers - une relique de la formation de l'univers connue sous le nom de fond diffus cosmologique (CMB) - pour résoudre un mystère de matière manquante et apprendre de nouvelles choses sur la formation des galaxies. Leurs travaux pourraient également nous aider à mieux comprendre l'énergie noire et à tester la théorie de la relativité générale d'Einstein en fournissant de nouveaux détails sur la vitesse à laquelle les galaxies se rapprochent ou s'éloignent de nous.

La matière noire invisible et l'énergie noire représentent environ 95% de la masse et de l'énergie totales de l'univers, et la majorité des 5% qui sont considérés comme de la matière ordinaire est également largement invisible, tels que les gaz à la périphérie des galaxies qui composent leurs soi-disant halos.

La majeure partie de cette matière ordinaire est constituée de neutrons et de protons, des particules appelées baryons qui existent dans les noyaux d'atomes comme l'hydrogène et l'hélium. Seulement environ 10% de la matière baryonique est sous forme d'étoiles, et la plupart du reste habite l'espace entre les galaxies en brins de chaleur, matière étalée connue sous le nom de milieu intergalactique chaud-chaud, ou WHIM.

Parce que les baryons sont si dispersés dans l'espace, il a été difficile pour les scientifiques d'obtenir une image claire de leur emplacement et de leur densité autour des galaxies. En raison de cette image incomplète de l'endroit où réside la matière ordinaire, la plupart des baryons de l'univers peuvent être considérés comme "manquants".

Maintenant, une équipe internationale de chercheurs, avec des contributions clés de physiciens du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département de l'Énergie des États-Unis et de l'Université Cornell, a cartographié l'emplacement de ces baryons manquants en fournissant les meilleures mesures, à ce jour, de leur emplacement et de leur densité autour des groupes de galaxies.

Il s'avère que les baryons sont dans des halos de galaxies après tout, et que ces halos s'étendent beaucoup plus loin que les modèles populaires ne l'avaient prédit. Alors que la plupart des étoiles d'une galaxie individuelle sont généralement contenues dans une région d'environ 100, 000 années-lumière du centre de la galaxie, ces mesures montrent que pour un groupe de galaxies donné, les baryons les plus éloignés peuvent s'étendre à environ 6 millions d'années-lumière de leur centre.

Paradoxalement, cette matière manquante est encore plus difficile à cartographier que la matière noire, que nous pouvons observer indirectement à travers ses effets gravitationnels sur la matière normale. La matière noire est la substance inconnue qui constitue environ 27% de l'univers; et l'énergie noire, qui sépare la matière dans l'univers à un rythme accéléré, représente environ 68% de l'univers.

"Seulement quelques pour cent de la matière ordinaire sont sous la forme d'étoiles. La majeure partie est sous forme de gaz qui est généralement trop faible, trop diffus pour pouvoir détecter, " a déclaré Emmanuel Schaan, Boursier postdoctoral Chamberlain dans la division de physique du Berkeley Lab et auteur principal de l'un des deux articles sur les baryons manquants, publié le 15 mars dans la revue Examen physique D .

Les chercheurs ont utilisé un processus connu sous le nom d'effet Sunyaev-Zel'dovich qui explique comment les électrons du CMB obtiennent une augmentation de l'énergie via un processus de diffusion lorsqu'ils interagissent avec les gaz chauds entourant les amas de galaxies.

"C'est une excellente occasion de regarder au-delà des positions et des vitesses des galaxies, " dit Simone Ferraro, un membre divisionnaire de la division de physique du Berkeley Lab qui a participé aux deux études. "Nos mesures contiennent de nombreuses informations cosmologiques sur la vitesse à laquelle ces galaxies se déplacent. Cela complétera les mesures effectuées par d'autres observatoires, et les rendre encore plus puissants, " il a dit.

Une équipe de chercheurs de l'Université Cornell, composé de l'associée de recherche Stefania Amodeo, maître assistant. Professeur Nicolas Battaglia, et étudiante diplômée Emily Moser, conduit la modélisation et l'interprétation des mesures, et exploré leurs conséquences pour la faible lentille gravitationnelle et la formation de galaxies.

Les algorithmes informatiques développés par les chercheurs devraient s'avérer utiles pour analyser avec une grande précision les données de "faible lentille" provenant d'expériences futures. Les phénomènes de lentille se produisent lorsque des objets massifs tels que des galaxies et des amas de galaxies sont grossièrement alignés sur une ligne de site particulière de sorte que les distorsions gravitationnelles courbent et déforment la lumière de l'objet le plus éloigné.

La lentille faible est l'une des principales techniques utilisées par les scientifiques pour comprendre l'origine et l'évolution de l'univers, y compris l'étude de la matière noire et de l'énergie noire. L'apprentissage de l'emplacement et de la distribution de la matière baryonique met ces données à portée de main.

"Ces mesures ont de profondes implications pour les lentilles faibles, et nous nous attendons à ce que cette technique soit très efficace pour calibrer les futures enquêtes à faible lentille, " dit Ferraro.

Schaan a noté, "Nous obtenons également des informations pertinentes pour la formation des galaxies."

Dans les dernières études, researchers relied on a galaxies dataset from the ground-based Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) in New Mexico, and CMB data from the Atacama Cosmology Telescope (ACT) in Chile and the European Space Agency's space-based Planck telescope. Berkeley Lab played a leading role in the BOSS mapping effort, and developed the computational architectures necessary for Planck data-processing at NERSC.

The algorithms they created benefit from analysis using the Cori supercomputer at Berkeley Lab's DOE-funded National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). The algorithms counted electrons, allowing them to ignore the chemical composition of the gases.

"C'est comme un filigrane sur un billet de banque, " Schaan explained. "If you put it in front of a backlight then the watermark appears as a shadow. For us the backlight is the cosmic microwave background. Il sert à éclairer le gaz par derrière, afin que nous puissions voir l'ombre lorsque la lumière CMB traverse ce gaz."

Ferraro said, "It's the first really high-significance measurement that really pins down where the gas was."

The new picture of galaxy halos provided by the "ThumbStack" software that researchers created:massive, fuzzy spherical areas extending far beyond the starlit regions. This software is effective at mapping those halos even for groups of galaxies that have low-mass halos and for those that are moving away from us very quickly (known as "high-redshift" galaxies).

New experiments that should benefit from the halo-mapping tool include the Dark Energy Spectroscopic Instrument, the Vera Rubin Observatory, the Nancy Grace Roman Space Telescope, and the Euclid space telescope.