Révéler l’un des secrets les mieux gardés de l’univers
Nous savons que l’univers est composé de particules subatomiques lourdes appelées baryons. Les planètes, les comètes, les astéroïdes, les étoiles, les trous noirs sont tous composés de matière baryonique. Mais ce que les astrophysiciens et les cosmologistes ne parviennent pas à comprendre, c’est où se trouvent les baryons. «Nous savons qu’ils existent, mais nous ne sommes pas encore parvenus à les trouver», explique Nabila Aghanim, astrophysicienne et cosmologiste rattachée à l’Institut d’astrophysique spatiale, qui fait partie du Centre national de la recherche scientifique et de l’Université Paris-Saclay. Avec le soutien du projet ByoPiC, financé par l’UE, la chercheuse et son équipe ont entrepris de révéler l’un des secrets les mieux gardés de l’univers.
Combiner la théorie des graphes, l’apprentissage automatique et la physique statistique
La première étape de ce jeu de cache-cache interstellaire a consisté à détecter les filaments de la toile cosmique. «Nous avons rapidement découvert que les méthodes de détection existantes n’étaient pas en mesure de représenter correctement la distribution réelle des galaxies», explique Nabila Aghanim. «Nous avons donc décidé de ne pas nous contenter d’utiliser les méthodes existantes, mais de développer les nôtres.» Le résultat est T-ReX, un algorithme qui combine la théorie des graphes, l’apprentissage automatique et les principes de la physique statistique. «Contrairement à d’autres méthodes, T-ReX peut être directement appliqué à la distribution réelle des galaxies», ajoute Nabila Aghanim. La découverte des baryons cachés a également nécessité l’établissement de cartes du ciel. Comme rien ne répondait précisément à leurs besoins, l’équipe du projet, qui a reçu le soutien du Conseil européen de la recherche (CER), a une fois de plus pris les choses en main. Plus concrètement, les chercheurs ont élaboré une nouvelle carte Sunyaev-Zel’dovich (SZ) de Planck qui répondait exactement à leurs exigences.
Les baryons manquants dans les filaments de la toile cosmique
Algorithmes et cartes en main, les chercheurs ont commencé à scruter le ciel. C’est ainsi qu’ils ont découvert que les intrigants baryons se trouvent dans les filaments de la toile cosmique, où ils prennent la forme de gaz ionisé chaud ou tiède. La toile cosmique est composée de matière noire, de gaz et de galaxies. Selon Nabila Aghanim, cette découverte a constitué une avancée décisive pour la cosmologie et un moment clé pour le projet ByoPiC. «Depuis les années 1990, les simulations indiquent que les baryons manquants doivent se trouver dans les environnements à faible densité de la toile cosmique, tels que les filaments», note Nabila Aghanim. «Nos recherches ont finalement confirmé cette hypothèse de longue date.» Parmi les autres résultats majeurs du projet figurent la caractérisation des propriétés des filaments dans des simulations numériques, et de nouvelles connaissances sur l’impact de la toile cosmique sur les caractéristiques des amas et des groupes de galaxies. Les chercheurs ont par ailleurs dévoilé des informations cosmologiques contenues dans les éléments de cette toile.
Prendre des risques pour faire des découvertes scientifiques révolutionnaires
Nabila Aghanim explique qu’elle était prête à parier que la clé de la découverte des baryons manquants dans l’univers résidait dans la combinaison de données complémentaires. La subvention du CER lui a permis de gagner son pari. «C’était sans aucun doute un risque, mais comme le montrent nos découvertes révolutionnaires, il faut parfois prendre des risques pour dépasser le statu quo», conclut Nabila Aghanim. S’appuyant sur les travaux novateurs du projet ByoPiC, la chercheuse et son équipe s’efforcent à présent d’étendre leurs recherches à des domaines tels que la détermination de la fraction de baryons manquants dans les plus grandes structures de la toile cosmique. Ils chercheront également à transposer certains des outils et des technologies développés dans le cadre du projet à l'imagerie biomédicale.
Mots‑clés
ByoPic, univers, baryons, planètes, comètes, astéroïdes, étoiles, trous noirs, matière baryonique, astrophysiciens, cosmologistes, théorie des graphes, apprentissage automatique, physique statistique, toile cosmique, galaxie