On s’obstine tous à imaginer le vide entre les galaxies glacé, alors que les relevés de Hubble y mesurent une chaleur qu’aucun modèle n’explique

Le vide entre les galaxies n’a rien de vide, et surtout rien de froid. Une étude récente basée sur 82 spectres archivés du télescope spatial Hubble révèle que le milieu intergalactique proche, celui qu’on observe à moins de six milliards d’années-lumière, affiche une température sept fois supérieure à ce que prédisent les modèles cosmologiques standards. En utilisant une méthode d’inférence basée sur l’apprentissage automatique appliquée à la distribution conjointe du paramètre de Doppler et de la densité de colonne issue de la décomposition de la forêt Lyman-alpha, les chercheurs ont mesuré l’état thermique et d’ionisation du milieu intergalactique dans quatre intervalles de redshift allant de z = 0,06 à 0,48, à partir de 82 spectres d’archives du spectrographe Cosmic Origin Spectrograph (COS) embarqué sur Hubble. Le résultat ne colle avec aucun scénario connu de refroidissement cosmique.

Sonder le vide grâce à la lumière des quasars

Mesurer la température d’un gaz aussi ténu qu’une poignée d’atomes par mètre cube relève du tour de force. La technique repose sur un principe simple : utiliser la lumière de quasars lointains, ces noyaux de galaxies extrêmement brillants, comme des phares qui traversent des milliards d’années-lumière de vide avant d’atteindre nos instruments. Sur leur trajet, cette lumière traverse des nuages d’hydrogène épars, laissant une empreinte caractéristique appelée la forêt Lyman-alpha, une série de raies d’absorption dont la largeur trahit l’agitation thermique du gaz traversé.

Plus le gaz est chaud, plus les atomes s’agitent, et plus les raies d’absorption s’élargissent sous l’effet Doppler. C’est cette signature que les astronomes ont exploitée, en croisant les données spectrales avec des simulations numériques affinées par apprentissage automatique. L’échantillon couvre une période cosmique relativement récente, entre 0,6 et 5 milliards d’années dans le passé, une époque où la théorie prédit que le milieu intergalactique aurait dû se refroidir tranquillement, porté par l’expansion de l’univers.

Un écart que personne n’avait anticipé

Les chiffres parlent d’eux-mêmes. Les résultats montrent que le milieu intergalactique à faible redshift (z < 0,5) est extrêmement chaud et quasiment isotherme, avec une température T0 de 28 183 K à z = 0,1, soit environ 7 sigma (et sept fois) au-dessus de la prédiction canonique d'environ 4 000 K, alors que ce milieu est censé s'être refroidi longtemps après la réionisation de l'hélium. Pour donner une idée : 28 000 kelvins, c'est près de cinq fois la température de surface du Soleil, mesurée dans un espace où la densité de matière est pourtant dérisoire, à peine quelques atomes par mètre cube.

L’anomalie ne s’arrête pas à la température. Les chercheurs ont aussi mesuré le taux de photoionisation de l’hydrogène, environ 4 sigma en dessous de la fourchette prédite par les modèles théoriques. le gaz est à la fois trop chaud et moins ionisé par le rayonnement ultraviolet ambiant que prévu. Un double décalage qui complique sérieusement la tâche des théoriciens, car les deux paramètres sont censés évoluer de concert dans les scénarios classiques de chauffage par le fond ultraviolet extragalactique.

Ce résultat s’inscrit dans une lignée d’observations troublantes. Hubble avait déjà mis en évidence, il y a plusieurs années, un épisode de surchauffe cosmique bien identifié : grâce au spectrographe COS, les astronomes avaient identifié une époque, entre 11,7 et 11,3 milliards d’années, où le rayonnement ultraviolet émis par des galaxies actives arrachait des électrons aux atomes d’hélium, un processus qui a chauffé l’hélium intergalactique de 18 000 à près de 40 000 degrés Fahrenheit. Ce phénomène de réionisation de l’hélium était censé s’estomper depuis longtemps. Or, la nouvelle mesure suggère que la chaleur, elle, persiste dans une bonne partie du volume cosmique observable.

D’où vient cette énergie en trop ?

Le problème dépasse la simple curiosité de laboratoire. Ce milieu tiède-chaud, que les astrophysiciens désignent par l’acronyme WHIM (warm-hot intergalactic medium), joue un rôle central dans un casse-tête plus ancien : celui des baryons manquants. Depuis des décennies, le nombre de baryons observés dans l’univers local est inférieur d’environ 30 à 40 % au total prédit par la nucléosynthèse primordiale, et une solution théorique place ces baryons manquants dans le gaz chaud et filamentaire situé entre les galaxies. Ce gaz, on le sait, existe. Ce milieu est supposé contenir de 40 à 50 % des baryons de l’univers observable. Mais sa température exacte, elle, continue de surprendre.

Plusieurs pistes circulent pour expliquer ce surplus de chaleur. Un chauffage résiduel par les rayons cosmiques de basse énergie, des chocs liés à la formation continue de structures à grande échelle, ou encore une contribution mal calibrée du fond ultraviolet émis par les galaxies actives et les quasars eux-mêmes. Aucune de ces hypothèses, à ce stade, ne fait consensus. Ce qui frappe surtout, c’est l’ampleur de l’écart : un facteur sept n’a rien d’une imprécision statistique, c’est un signal qui pointe vers un mécanisme physique manquant dans les modèles actuels.

Cette anomalie thermique arrive dans un contexte où la cosmologie traverse déjà une zone de turbulence. Quand les astrophysiciens mesurent avec leurs télescopes le taux actuel de l’expansion de l’univers, connu sous le nom de constante de Hubble, ils trouvent une valeur incompatible avec celle prédite par le modèle standard, ce qui pourrait signifier que ce modèle est à revoir. Rien ne prouve, à ce stade, que la surchauffe du milieu intergalactique et la tension sur la constante de Hubble partagent une origine commune. Mais l’accumulation d’écarts entre mesures fines et prédictions théoriques nourrit un doute qui grandit d’observation en observation. Les futurs relevés, portés par des instruments capables de cartographier des milliards de galaxies avec une précision inédite, diront si ce vide trop chaud cache une simple lacune de modèle, ou le premier indice d’une physique encore à inventer.

Sources : nature.com | aanda.org