Des scientifiques ont voulu mesurer précisément la quantité totale de matière dans l'Univers. Cette question est l'un des objectifs de la cosmologie. Pour cela, ils se sont servi d'amas de galaxies.

La matière représente une quantité totale de 31 % de l’Univers. Le reste est constitué d’énergie noire. Une équipe d’astronomes et de physiciens est arrivée à cette conclusion, présentée dans la revue The Astrophysical Journal le 25 septembre 2020.

Dans ces travaux, dont une prépublication est accessible sur arXiv, les chercheurs s’attaquent à l’un des objectifs importants de la cosmologie. Cette science porte sur l’étude de la structure, de l’origine et de l’évolution de l’Univers. C’est dans le cadre de cette discipline que des scientifiques se penchent par exemple sur l’importante question de l’expansion de l’Univers. Mesurer la quantité totale de matière dans l’Univers est un autre exercice difficile, mais essentiel.

Imaginez 6 atomes d’hydrogène dans un mètre cube

Se représenter à quoi correspondent ces 31 % de matière n’est pas forcément simple. Mohamed H. Abdullah, étudiant diplômé de physique et d’astronomie à l’université de Californie à Riverside, qui a mené les recherches, propose une comparaison : « Si toute la matière était répartie uniformément dans l’espace, elle correspondrait à une densité de masse égale à seulement environ 6 atomes d’hydrogène par mètre cube », décrit-il dans un communiqué.

Le schéma ci-dessous aide aussi à se rendre compte de la répartition.

À gauche : la matière représente 31 % de l’Univers. Au milieu : elle est elle-même constituée en partie de matière noire. À droite : la matière « normale », les atomes et molécules constituant les étoiles, les galaxies, les poussières et gaz. // Source : UCR/Mohamed Abdullah, annotation Numerama

Il faut ajouter à cela que cette matière n’est pas, en majeure partie, composé de tels atomes. On estime que 80 % de la matière composant l’Univers est de la matière noire, aussi nommée matière transparente, car on ne la voit pas. Elle n’a jamais été détectée, mais cette matière hypothétique est étudiée par l’intermédiaire de son influence gravitationnelle (qui est, elle, observée).

Les amas de galaxie, des « sondes cosmologiques »

Comment ces scientifiques s’y sont-ils pris pour mesurer la part de matière présente dans l’Univers ? Ils se sont servi d’amas de galaxies, qui « sont des sondes cosmologiques particulièrement puissantes », peut-on lire dans l’étude. L’abondance de ces amas de galaxies (le nombre qu’on observe) « est particulièrement sensible à la densité de matière de l’Univers ». Cela est dû au fait que les amas de galaxies que l’on voit actuellement ont été formés par de la matière qui s’est effondrée pendant des milliards d’années, à cause de sa propre gravité.

Il est difficile d’estimer la masse des amas de galaxies (puisque la majorité de la matière les composant est transparente). Les chercheurs ont d’abord dû créer un outil, qu’ils ont baptisé « GalWeight », permettant de mesurer la masse des amas à partir des orbites des galaxies qui les composent. Cet outil leur a ensuite permis d’identifier, au sein du Sloan Digital Sky Survey (SDSS, un relevé d’objets célestes établi depuis le Nouveau-Mexique), un groupe de 1 800 amas de galaxies — qu’ils ont nommé « GalWCat19 ». Selon les scientifiques, ce nouveau catalogue présente des avantages : il représente bien la population des amas de galaxies, et il évite de devoir passer par d’autres hypothèses (sur l’évolution des amas et sur l’évolution des paramètres cosmologiques).

Le nombre d’amas de GalWCat19 a été comparé avec des simulations informatiques, de façon à mesurer la quantité de matière dans l’Univers. Résultat : on sait désormais que la matière représente en totalité 31,5 % de l’Univers (avec une marge d’erreur de 1,3 %).

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