La matière dans l’espace intergalactique est distribuée dans un vaste réseau de structures filamentaires interconnectées, collectivement appelées la toile cosmique. Grâce à des centaines d’heures d’observation, une équipe internationale de chercheurs a obtenu une image haute définition sans précédent d’un filament cosmique à l’intérieur de cette toile, reliant deux galaxies en formation active, datant d’une époque où l’Univers avait environ 2 milliards d’années.
L’existence de la matière noire, qui constitue environ 85 % de toute la matière de l’univers, est un pilier de la cosmologie moderne. Sous l’effet de la gravité, la matière noire forme une toile cosmique complexe composée de filaments, aux intersections desquels émergent les galaxies les plus brillantes. Cette toile cosmique agit comme l’échafaudage sur lequel sont construites toutes les structures visibles de l’univers : à l’intérieur des filaments, le gaz s’écoule pour alimenter la formation des étoiles dans les galaxies. Des observations directes de l’approvisionnement en carburant de ces galaxies permettraient de faire progresser notre compréhension de la formation et de l’évolution des galaxies.
Cependant, l’étude du gaz au sein de cette toile cosmique est incroyablement difficile. Le gaz intergalactique a été détecté principalement de manière indirecte grâce à l’absorption de la lumière provenant de sources lumineuses de fond. Mais les résultats observés ne permettent pas d’éclairer la distribution de ce gaz. Même l’élément le plus abondant, l’hydrogène, n’émet qu’une faible lueur, ce qui rend pratiquement impossible l’observation directe de ce gaz par les instruments de la génération précédente.
Dans cette nouvelle étude, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Université de Milan-Bicocca et incluant des scientifiques de l'Institut Max Planck d'astrophysique (MPA) a obtenu une image haute définition sans précédent d'un filament cosmique en utilisant MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer), un spectrographe innovant installé sur le Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral au Chili.
Même avec les capacités avancées de cet instrument sophistiqué, le groupe de recherche a dû mener l'une des campagnes d'observation MUSE les plus ambitieuses jamais réalisées dans une seule région du ciel, en acquérant des données sur des centaines d'heures pour détecter le filament à haute signification.
L'étude, dirigée par Davide Tornotti, doctorant à l'Université de Milan-Bicocca, a utilisé ces données ultrasensibles pour produire l'image la plus nette jamais obtenue d'un filament cosmique s'étendant sur 3 millions d'années-lumière et reliant deux galaxies, chacune abritant un trou noir supermassif actif.
Cette découverte, récemment publiée dans Nature Astronomy, ouvre de nouvelles voies pour contraindre directement les propriétés du gaz dans les filaments intergalactiques et pour affiner notre compréhension de la formation et de l’évolution des galaxies.
« En capturant la faible lumière émise par ce filament, qui a voyagé pendant un peu moins de 12 milliards d'années pour atteindre la Terre, nous avons pu caractériser précisément sa forme, explique Tornotti. Pour la première fois, nous avons pu tracer la frontière entre le gaz résidant dans les galaxies et la matière contenue dans la toile cosmique grâce à des mesures directes ».
Les chercheurs ont profité des simulations de l'univers réalisées par superordinateur au MPA pour calculer les prévisions de l'émission filamentaire attendue compte tenu du modèle cosmologique actuel. « En comparant la nouvelle image haute définition de la toile cosmique, nous constatons une concordance substantielle entre la théorie actuelle et les observations », ajoute Tornotti.
Cette découverte et la concordance encourageante avec les simulations de superordinateurs sont essentielles pour comprendre l'environnement gazeux ténu autour des galaxies et ouvrent de nouvelles possibilités pour déterminer l'approvisionnement en carburant des galaxies.
Fabrizio Arrigoni Battaia, scientifique de l'APM impliqué dans l'étude, conclut : « Nous sommes ravis de cette observation directe et en haute définition d'un filament cosmique. Mais comme on dit en Bavière : "Eine ist keine" (un seul ne compte pas). Nous recueillons donc d'autres données pour découvrir davantage de structures de ce type, avec pour objectif ultime d'avoir une vision complète de la manière dont le gaz est distribué et circule dans la toile cosmique ».
Plus d'informations : Davide Tornotti et al, High-definition imaging of a filamentary connection between a close quasar pair at z = 3, Nature Astronomy (2025). DOI : 10.1038/s41550-024-02463-w . Sur arXiv : DOI : 10.48550/arxiv.2406.17035
Fourni par l'Institut Max Planck d'astrophysique
