Les astronomes totalisent toutes les matières normales – les stars, les galaxies et le gaz – dans l'univers aujourd'hui ont été embarrassantes de la matière totale produite dans le Big Bang il y a 13,6 milliards d'années. En fait, plus de la moitié de la matière normale – la moitié des 15% de la matière de l'univers qui n'est pas de la matière noire – ne peut pas être prise en compte dans les étoiles et gazeux brillants que nous voyons.
De nouvelles mesures, cependant, semblent avoir trouvé cette matière manquante sous la forme d'hydrogène de gaz ionisé très diffuse et invisible, qui forme un halo autour des galaxies et est plus gonflé et étendu que ce que les astronomes ne le pensaient.
Les résultats ne soulagent pas seulement un conflit entre les observations astronomiques et le meilleur modèle éprouvé de l'évolution de l'univers depuis le Big Bang, ils suggèrent également que les trous noirs massifs dans les centres des galaxies sont plus actifs qu'on ne le pensait auparavant, le gaz de la fontaine beaucoup plus éloigné du centre galactique que prévu – sur cinq fois plus éloigné, l'équipe a trouvé.
« Nous pensons qu'une fois que nous nous éloignons de la galaxie, nous récupérons tous les gaz manquants », a déclaré Boryana Hadzhiyska, boursier postdoctoral Miller à l'Université de Californie à Berkeley, et premier auteur d'un journal signalant les conclusions. « Pour être plus précis, nous devons faire une analyse minutieuse avec des simulations, ce que nous n'avons pas fait. Nous voulons faire un travail prudent. »
« Les mesures sont certainement conformes à la recherche de tout le gaz », a déclaré son collègue, Simone Ferraro, scientifique principale au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et à UC Berkeley qui a vu des indices de ce vaste halo d'hydrogène ionisé dans les analyses publiées il y a trois ans.
Les résultats de l'étude, co-écrite par 75 scientifiques d'institutions du monde arxiv et subissent l'examen par les pairs au Journal Lettres d'examen physique. Hadzhiyska et Ferraro sont des chercheurs du Berkeley Center for Cosmological Physics dans le département de physique de l'UC Berkeley, ainsi que au Berkeley Lab.
Galaxies empilées
Bien que la matière noire encore mystérieuse constitue la majeure partie – environ 84% – de l'univers, le reste est une matière normale. Seulement environ 7% de la matière normale se présente sous la forme d'étoiles, tandis que le reste est sous la forme d'hydrogène invisible – la plupart ionisés – dans les galaxies et les filaments qui relient les galaxies dans une sorte de réseau cosmique.
Le gaz ionisé et les électrons associés exprimés dans ce réseau de filaments sont appelés le milieu intergalactique chaud chaud, qui est trop froid et trop diffus pour être vu avec les techniques habituelles à l'élimination des astronomes, et est donc restée insaisissable jusqu'à présent.
Dans le nouvel article, les chercheurs ont estimé la distribution de l'hydrogène ionisé autour des galaxies en empilant des images d'environ 7 millions de galaxies, ce qui est dans environ 8 milliards d'années-lumière de la Terre – et mesurant la légère gradation ou l'éclaircissement du fond micro-ondes cosmique causé par une diffusion de la radiation par les électrons dans l'effet ionisé.
« Le fond micro-ondes cosmique est à l'arrière de tout ce que nous voyons dans l'univers. C'est le bord de l'univers observable », a déclaré Ferraro. « Vous pouvez donc l'utiliser comme rétro-éclairage pour voir où se trouve le gaz. »
Les images de la galaxie utilisées – toutes les galaxies rouges lumineuses – ont été collectées par l'instrument spectroscopique d'énergie noire (DESI) sur le télescope de 4 mètres Mayall à l'Observatoire national de Kitt Peak à Tucson, Arizona. L'instrument, construit par une collaboration dont le siège est au Berkeley Lab, enquête sur des dizaines de millions de galaxies et de quasars pour construire une carte 3D couvrant l'univers à 11 milliards d'années-lumière de la Terre afin de mesurer l'effet de l'énergie sombre sur l'extension de l'univers.
Des mesures du fond micro-ondes cosmiques (CMB) autour de ces galaxies ont été effectuées par le télescope de cosmologie de l'ATACAMA (ACT) au Chili, qui a effectué les mesures les plus précises à ce jour du CMB avant son découverte en 2022.
L'analyse a été réalisée en collaboration avec Bernardita Ried Guachalla, étudiante diplômée à l'Université de Stanford; Emmanuel Schaan, scientifique du personnel du SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park; et les équipes desi et actes.
Rétroaction galactique
Les astronomes ont généralement pensé que les trous noirs massifs dans les centres des galaxies expulsent le gaz en jets de matériau que pendant leurs années de formation, lorsque le trou noir central engloutit le gaz et les étoiles et produit beaucoup de rayonnement. Cela les distingue comme ce que les astronomes appellent les noyaux galactiques actifs (AGN) ou les quasars.
Si, comme la nouvelle étude le suggère, le halo hydrogène ionisé autour des galaxies est plus diffus, mais aussi plus étendu que ce qui pense, cela implique que les trous noirs centraux peuvent en fait devenir actifs à d'autres moments de leur vie.
« Un problème que nous ne comprenons pas concerne les AGN, et l'une des hypothèses est qu'elles s'allument et s'éteignent de temps en temps dans ce qu'on appelle un cycle de service », a déclaré Hadzhiyska.
Les astronomes se réfèrent à l'expulsion du gaz et à son rabais ultérieur dans le disque galactique comme une rétroaction qui régule la formation de nouvelles étoiles dans toute la galaxie. Ferraro, Schaan et leurs collègues ont signalé des conseils de commentaires plus étendus dans les travaux antérieurs en 2020, lorsque Schaan était boursier postdoctoral au Berkeley Lab.
Mais le nouveau travail intègre plus de galaxies et produit une mesure plus précise. Les travaux ultérieurs de Ried Guachalla ont confirmé les résultats avec l'échantillon spectroscopique desi et ont pu étudier le gaz dans des galaxies plus proches, soulignant que le gaz n'est pas distribué uniformément autour d'eux, mais suit des « filaments cosmiques » qui imprègnent l'univers.
Hadzhiyska a noté que les simulations actuelles de l'évolution de la galaxie devront incorporer cette rétroaction plus vigoureuse dans leurs modèles. Certains nouveaux modèles le font déjà pour produire des simulations plus fortes en meilleur accord avec les nouvelles données.
L'identification de la matière manquante, ou des baryons, dans l'univers, a également des implications pour d'autres aspects de l'évolution cosmique.
« Savoir où le gaz est devenu l'un des facteurs limitants les plus sérieux pour essayer de retirer la cosmologie des enquêtes actuelles et futures. Nous avons en quelque sorte frappé ce mur, et c'est le bon moment pour répondre à ces questions », a déclaré Ferraro. « Une fois que vous savez où se trouve le gaz, vous pouvez demander: » Quelle est la conséquence pour les problèmes cosmologiques? « »
D'une part, l'expulsion du gaz des noyaux de ces galaxies massives remet en question l'hypothèse que le gaz suit la matière noire, a déclaré Hadzhiyska. Sous-estimation de cette expulsion de gaz peut introduire des incohérences dans les modèles cosmologiques, tandis que les nouveaux résultats peuvent réellement résoudre certains problèmes sur la grappe de l'univers.
« Il y a un grand nombre de personnes intéressées à utiliser nos mesures pour effectuer une analyse très approfondie qui inclut ce gaz », a-t-elle déclaré. « Les gens de l'astronomie s'en soucient beaucoup pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies. »
La technique utilisée par l'équipe, l'effet cinématique SUNYAEV-ZEL'DOVICH, pourrait également être utilisé pour sonder le début de l'univers, a déclaré Hadzhiyska. Cela pourrait donner un aperçu de la structure à grande échelle de l'univers et des lois de la physique dans l'univers précoce et permettre aux scientifiques de tester la gravité et la relativité générale.
