L’une des questions les plus urgentes en cosmologie est : « Quelle quantité de matière y a-t-il dans l’univers ? » Une équipe internationale de scientifiques a réussi à mesurer pour la deuxième fois la quantité totale de matière. L'équipe rapporte dans The Astrophysical Journal qu'elle a déterminé que la matière représente 31 % de la matière et de l'énergie totales de l'univers, l'énergie noire constituant le reste.
Le premier auteur, le Dr Mohammed Abdullah, chercheur à l'Institut national égyptien d'astronomie et de géophysique de l'Université de Chiba au Japon, a expliqué : « Les cosmologues pensent que seulement 20 % environ de la matière totale est constituée de matière conventionnelle ou de matière « baryon », qui comprend les étoiles, les galaxies, les atomes et la vie. Environ 80 % est constitué de matière noire, dont les propriétés mystérieuses ne sont pas encore comprises, mais pourrait être composée de particules subatomiques encore inconnues. (voir photo). "
"L'équipe a utilisé une technique bien établie pour déterminer la quantité totale de matière dans l'univers en comparant le nombre et la masse observés d'amas de galaxies par unité de volume avec les prédictions de simulations numériques", a déclaré la co-auteure Gillian Wilson, ancienne conseillère diplômée d'Abdullah, professeur de physique et vice-chancelière pour la recherche, l'innovation et le développement économique à l'UC Merced. "Le nombre d'amas d'étoiles actuellement observés, appelé "l'abondance des amas", est très sensible aux conditions cosmologiques, notamment à la quantité de matière."
Anatoly Klypin, de l'Université de Virginie, a déclaré : « Plus la proportion de matière totale dans l'univers est élevée, plus d'amas d'étoiles se formeront. Mais il est difficile de mesurer avec précision la masse d'un amas de galaxies car la majeure partie de la matière est de la matière noire, que nous ne pouvons pas voir directement avec les télescopes. »
Pour surmonter cette difficulté, l’équipe a dû utiliser un tracker indirect des masses des amas de galaxies. Ils s'appuient sur le fait que les amas d'étoiles plus massifs contiennent plus de galaxies que les amas d'étoiles moins massifs (relation de richesse de masse : MRR). Puisque les galaxies sont constituées d’étoiles lumineuses, le nombre de galaxies dans chaque amas peut être utilisé pour déterminer indirectement sa masse totale. En mesurant le nombre de galaxies dans chaque amas de l’échantillon du Sloan Digital Sky Survey, l’équipe a pu estimer la masse totale de chaque amas. Ils ont ensuite comparé le nombre et la masse observés d’amas de galaxies par unité de volume avec ceux prédits par des simulations numériques.
La meilleure adéquation entre les résultats d’observation et les résultats de simulation est que l’univers est composé de 31 % de la matière totale. Cette valeur est en bon accord avec les observations du fond cosmique micro-onde (CMB) du satellite Planck. Il est à noter que le CMB est une technologie totalement indépendante.
Validation et technologie
Tomoaki Ishiyama de l'Université de Chiba a déclaré : « Nous avons réussi à mesurer pour la première fois la densité de matière en utilisant le MRR, ce qui est en bon accord avec les résultats obtenus par l'équipe Planck en utilisant la méthode CMB. Ce travail démontre en outre que l'abondance des amas est une technique compétitive pour contraindre les paramètres cosmologiques et est complémentaire aux techniques non-amas telles que l'anisotropie CMB, les oscillations acoustiques baryoniques, les supernovae de type Ia ou la lentille gravitationnelle.
L'équipe pense que leurs résultats sont les premiers à utiliser avec succès la spectroscopie - une technique qui sépare le rayonnement en bandes individuelles, ou couleurs du spectre - pour déterminer avec précision la distance à chaque amas et les véritables galaxies membres qui sont liées gravitationnellement à l'amas, plutôt que des distractions d'arrière-plan ou de premier plan le long de la ligne de mire. Des études antérieures qui ont tenté d'utiliser les techniques MRR se sont appuyées sur des techniques d'imagerie beaucoup plus grossières et moins précises, telles que l'utilisation de photos du ciel prises à certaines longueurs d'onde, pour déterminer la distance de chaque amas à ses galaxies membres réelles.
Conclusions et applications futures
L'article, publié dans l'Astrophysical Journal le 13 septembre, démontre non seulement que la technologie MRR est un outil puissant pour déterminer les paramètres cosmologiques, mais explique également comment elle peut être appliquée à de nouveaux ensembles de données obtenus à partir d'imageries à grand champ et en champ profond et d'études spectroscopiques de galaxies telles que celles menées par le télescope Subaru, le Dark Energy Survey, le Dark Energy Spectrograph, le télescope Euclid, le télescope eROSITA et le télescope spatial James Webb.