Depuis trente ans, des équipes d’astrophysiciens butaient sur un déficit massif de matière ordinaire dans l’Univers, un trou dans les comptes dressés par les satellites cosmologiques et les relevés du ciel profond.
Une avancée vient soudain rompre cette impasse grâce aux sursauts radio rapides, ces fulgurances qui traversent le vide intergalactique et gravent leur passage dans les ondes. Leur dispersion sert de pesée indirecte de la matière baryonique, cachée entre les galaxies et assimilée à une matière manquante dans les bilans cosmologiques, où persistait un mystère cosmologique devenu brusquement mesurable pour les modèles qui décrivent la structure diffuse du cosmos.
Des années de quête pour la matière baryonique manquante
Depuis près de 30 ans, les cosmologistes cherchent la moitié manquante de la matière ordinaire prédite par leurs modèles mais absente des observations. À Caltech et au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, ce travail s’inscrit dans un vaste recensement des baryons lancé dès les années 1990, lorsque les premiers satellites de cosmologie ont révélé l’ampleur du déficit.
Cette quête très patiente a conduit les équipes américaines à revisiter la façon de compter la matière ordinaire dans le cosmos. Présentée comme un immense puzzle astronomique de l’univers, elle les pousse à établir un véritable bilan de masse cosmique en combinant modèles théoriques, relevés de télescopes et précieux indices fournis par le gaz invisible.
Comment les sursauts radio rapides servent de balises cosmiques ?
Les sursauts radio rapides sont des éclats de quelques millisecondes qui libèrent une énergie colossale. Lorsque le signal FRB traverse le gaz ionisé, les fréquences arrivent avec un retard par rapport aux hautes. Les astronomes quantifient ce décalage grâce à une mesure de dispersion et peuvent convertir ce chiffre en quantité de matière traversée. Cette méthode se décline en étapes :
- Détecter un sursaut radio rapide milliseconde dans les relevés de radiotélescopes.
- Mesurer le retard des basses fréquences par rapport aux hautes pour en déduire la dispersion.
- Soustraire la contribution connue de la Voie lactée et de la galaxie hôte.
- Relier la dispersion restante à la quantité de gaz diffus présente entre les galaxies.
En appliquant cette approche à 69 sursauts radio rapides situés entre 11,74 millions et 9,1 milliards d’années-lumière, dont le lointain FRB 20230521B, l’équipe de Caltech parvient à estimer la densité moyenne du gaz diffus traversé. La comparaison entre la densité, distance de chaque source et le milieu intergalactique montre que la matière baryonique manquante se cache entre les galaxies.
Ce que révèle la cartographie : où se cachent 76 % des baryons
En analysant 69 sursauts radio rapides, une équipe internationale montre que près de 76 % de la matière baryonique résident dans le milieu intergalactique. Ce réservoir, composé de gaz diffus chaud, échappe presque entièrement aux relevés optiques et X classiques depuis longtemps.
Les chercheurs estiment que près de 15 % des baryons se concentrent dans des ceintures de gaz étendues qui enveloppent les galaxies et échangent matière et énergie avec le milieu intergalactique. Le reste se répartit entre étoiles, nuages de gaz froid et poussières, et cette distribution de la matière situe les halos galactiques au cœur des échanges baryoniques, en accord avec le modèle cosmologique standard qui relie notre Voie lactée, autres galaxies lointaines et espace intergalactique.
De six signaux à 69 FRB localisés, un résultat enfin solide
Les premiers travaux, publiés il y a près de cinq ans, ne reposaient que sur six sursauts radio rapides, insuffisants pour fixer la quantité de matière baryonique cachée. La nouvelle étude utilise 69 FRB précisément localisés, certains à plus de 9,1 milliards d’années-lumière, grâce à une localisation extragalactique raffinée.
En couvrant des distances de 11,74 millions à 9,1 milliards d’années-lumière, dont le record FRB 20230521B, l’ensemble des signaux balaye une large portion de l’Univers observable. Ces mesures forment un échantillon statistique cohérent, où la dispersion du signal sert d’étalonnage des distances en reliant densité de plasma intergalactique, chemin parcouru et éloignement des galaxies hôtes.
Les FRB, un outil central pour la cosmologie expérimentale
Les sursauts radio rapides forment désormais un réseau naturel de balises réparties sur des milliards d’années-lumière. En comparant la dispersion de leurs ondes avec la distance des galaxies hôtes, les cosmologistes ajustent la valeur de la constante baryonique, celle qui fixe la quantité de matière ordinaire dans l’espace intergalactique.
Ce même signal sert à tester la physique fondamentale, car tout décalage subtil pourrait révéler une limite supérieure pour la masse du neutrino. Les grands projets en préparation, dont le radiotélescope DSA-2000 prévu dans le désert du Nevada avec 2000 antennes, devraient cataloguer des dizaines de milliers de FRB et transformer ces mesures en véritable laboratoire cosmologique.
