La matière représente 31 % de la quantité totale de matière et d’énergie de l’univers.

L’une des questions les plus intéressantes et les plus importantes en cosmologie est la suivante : « Quelle quantité de matière existe-t-il dans l’univers ? » Une équipe internationale, comprenant des scientifiques de l’Université de Chiba, a réussi à mesurer pour la deuxième fois la quantité totale de matière. Rapport dans Le journal d’astrophysiquel’équipe a déterminé que la matière représente 31 % de la quantité totale de matière et d’énergie dans l’univers, le reste étant constitué d’énergie sombre.

“Les cosmologues pensent que seulement 20 % environ de la matière totale est constituée de matière régulière ou “baryonique”, qui comprend les étoiles, les galaxies, les atomes et la vie”, explique le premier auteur, le Dr Mohamed Abdullah, chercheur à l’Institut national de recherche de Astronomie et géophysique-Égypte, Université de Chiba, Japon. “Environ 80 % est constitué de matière noire, dont la nature mystérieuse n’est pas encore connue mais pourrait être constituée de particules subatomiques encore inconnues.”

“L’équipe a utilisé une technique éprouvée pour déterminer la quantité totale de matière dans l’univers, qui consiste à comparer le nombre et la masse observés d’amas de galaxies par unité de volume avec les prédictions de simulations numériques”, explique Gillian Wilson, co-auteure d’Abdullah. ancien conseiller diplômé et professeur de physique et vice-chancelier pour la recherche, l’innovation et le développement économique à l’UC Merced.

“Le nombre d’amas observés à l’heure actuelle, appelé “l’abondance des amas”, est très sensible aux conditions cosmologiques et, en particulier, à la quantité totale de matière.”

“Un pourcentage plus élevé de matière totale dans l’univers entraînerait la formation d’un plus grand nombre d’amas”, explique Anatoly Klypin de l’Université de Virginie. “Mais il est difficile de mesurer avec précision la masse d’un amas de galaxies, car la majeure partie de la matière est sombre et nous ne pouvons pas la voir directement avec des télescopes.”

Pour surmonter cette difficulté, l’équipe a été contrainte d’utiliser un traceur indirect de la masse des amas. Ils se sont appuyés sur le fait que les amas plus massifs contiennent plus de galaxies que les amas moins massifs (relation de richesse en masse : MRR). Étant donné que 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 leur échantillon du Sloan Digital Sky Survey, l’équipe a pu estimer la masse totale de chacun des amas. Ils ont ensuite pu comparer le nombre et la masse observés d’amas de galaxies par unité de volume avec les prédictions de simulations numériques.

La meilleure correspondance entre les observations et les simulations était celle d’un univers constitué de 31 % de la matière totale, une valeur qui était en excellent accord avec celle obtenue à l’aide des observations du fond diffus cosmologique (CMB) du satellite Planck. Notamment, le CMB est une technique totalement indépendante.

“Nous avons réussi à réaliser la première mesure de densité de matière à l’aide du MRR, qui est en excellent accord avec celle obtenue par l’équipe Planck à l’aide de la méthode CMB”, explique Tomoaki Ishiyama de l’université de Chiba. “Ce travail démontre en outre que l’abondance des amas est une technique compétitive pour contraindre les paramètres cosmologiques et complémentaire aux techniques non-amas telles que les anisotropies CMB, les oscillations acoustiques baryoniques, les supernovae de type Ia ou les lentilles gravitationnelles.”

L’équipe attribue leur réussite au fait d’être la première à utiliser avec succès la spectroscopie, la technique qui sépare le rayonnement en un spectre de bandes ou de couleurs individuelles, pour déterminer avec précision la distance à chaque amas et les véritables galaxies membres qui sont liées gravitationnellement à l’amas plutôt que les intrus à l’arrière-plan ou au premier plan le long de la ligne de mire.

Des études antérieures qui tentaient d’utiliser la technique MRR reposaient sur des techniques d’imagerie beaucoup plus grossières et moins précises, telles que l’utilisation d’images du ciel prises à certaines longueurs d’onde, pour déterminer la distance par rapport à chaque amas et aux galaxies voisines qui en étaient de véritables membres.

Le document, publié dans Le journal d’astrophysiquedémontre non seulement que la technique MRR est un outil puissant pour déterminer les paramètres cosmologiques, mais explique également comment elle peut être appliquée à de nouveaux ensembles de données disponibles à partir d’imageries à grande échelle, en champ profond et d’études spectroscopiques de galaxies telles que celles réalisées avec Télescope Subaru, Dark Energy Survey, instrument spectroscopique d’énergie noire, télescope Euclide, télescope eROSITA et télescope spatial James Webb.