Des chercheurs mesurent précisément la proportion totale de matière dans l’Univers

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Mesurer la quantité — ou plutôt la proportion totale — de matière au sein de l’Univers représente à ce jour l’un des principaux challenges de la cosmologie. Parvenir à cet objectif est loin d’être simple et pose de nombreux défis aux meilleures astrophysiciens, physiciens et mathématiciens actifs dans le domaine. Récemment, une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université de Californie à Riverside, a atteint cet objectif. Les chercheurs ont déterminé que la matière représente 31,5% de la quantité totale de matière et d’énergie dans l’Univers, le reste étant constitué d’énergie noire.

« Pour replacer cette quantité de matière dans son contexte, si toute la matière de l’univers était répartie uniformément dans l’espace, elle correspondrait à une densité de masse moyenne égale à seulement environ six atomes d’hydrogène par mètre cube », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Mohamed Abdullah, étudiant diplômé du département de physique et d’astronomie de l’UCR.

« Cependant, comme nous savons que 80% de la matière est en fait de la matière noire, en réalité, la majeure partie de cette matière n’est pas constituée d’atomes d’hydrogène mais plutôt d’un type de matière que les cosmologistes ne comprennent pas encore ». L’étude a été publiée le 25 septembre dans la revue The Astrophysical Journal.

Comment les astronomes calculent-ils la quantité totale de matière ?

Une technique bien éprouvée pour déterminer la quantité totale de matière dans l’univers consiste à comparer le nombre et la masse des amas de galaxies observés par unité de volume avec les prédictions des simulations numériques.

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Parce que les amas de galaxies actuels se sont formés à partir de matière qui s’est effondrée sur des milliards d’années sous sa propre gravité, le nombre d’amas observés à l’heure actuelle est très sensible aux conditions cosmologiques et, en particulier, à la quantité totale de matière. « Un pourcentage plus élevé de matière entraînerait plus d’amas », a déclaré Abdullah. « Le défi de notre équipe était de mesurer le nombre d’amas et de déterminer quelle était la bonne réponse ».

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L’équipe a comparé le nombre d’amas de galaxies qu’elle a mesuré avec les prédictions de simulations numériques pour déterminer quelle réponse était correcte. Crédits : Mohamed Abdullah/UC Riverside

Mais il est difficile de mesurer avec précision la masse d’un amas de galaxies, car la majorité de la matière est sombre, et nous ne pouvons donc pas la voir avec nos télescopes. Pour surmonter cette difficulté, l’équipe d’astronomes dirigée par l’UCR a d’abord développé « GalWeight », un outil cosmologique permettant de mesurer la masse d’un amas de galaxies en utilisant les orbites de ses galaxies membres.

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Une comparaison avec des simulations

Les chercheurs ont ensuite appliqué leur outil aux observations du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) pour créer « GalWCat19 », un catalogue d’amas de galaxies accessible au public. Enfin, ils ont comparé le nombre d’amas dans leur nouveau catalogue avec des simulations pour déterminer la quantité totale de matière dans l’Univers.

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Dans le cadre de cette étude, la matière totale de l’Univers a été estimée à environ 31% de ce qui compose l’univers (énergie+matière). Les cosmologistes pensent qu’environ 20% de cette matière totale est constituée de matière ordinaire (dite « baryonique »), incluant les étoiles, les galaxies, jusqu’aux atomes, tandis qu’environ 80% est constituée de matière noire, dont la nature exacte n’est pas encore connue. Crédits : Mohamed Abdullah/UC Riverside

« Un énorme avantage de l’utilisation de notre technique d’orbite des galaxies GalWeight est que notre équipe a pu déterminer une masse pour chaque amas individuellement plutôt que de s’appuyer sur des méthodes statistiques plus indirectes », a déclaré le coauteur Anatoly Klypin, expert en simulations numériques et en cosmologie.

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En combinant leurs mesures avec celles des autres équipes qui ont utilisé différentes techniques, l’équipe dirigée par l’UCR a pu déterminer la meilleure valeur combinée, concluant que la matière représente 31,5 ± 1,3% de la quantité totale de matière et d’énergie dans l’Univers.

Source : The Astrophysical Journal

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