Brumes cosmiques : quand les galaxies baignent dans le gaz express
Chaque galaxie flotte dans un nuage de gaz invisible, comme un fruit dans un sirop. Ce gaz est un reste du matériau de construction à partir duquel les étoiles se sont formées, et il est constamment alimenté par de nouvelles portions provenant de l'espace intergalactique. Le voir directement est presque impossible : il est trop ténu et trop froid. Mais lorsque la lumière d'un quasar lointain traverse un tel nuage, les atomes de métaux présents dans le gaz absorbent une partie de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques. Grâce à ces « creux » dans le spectre, les astronomes calculent la quantité de gaz que la lumière a rencontrée sur son chemin.
Les scientifiques ont pris l'un des meilleurs modèles informatiques de l'Univers — IllustrisTNG, où des millions de galaxies virtuelles vivent selon les lois de la physique — et ont comparé ses prédictions aux observations réelles. Deux variantes ont été envisagées dans le modèle : soit le gaz n'est chauffé que par les collisions de particules, soit il est en plus éclairé par le rayonnement ultraviolet de toutes les étoiles et quasars. Il s'est avéré que la deuxième variante correspond beaucoup mieux à ce que voient les télescopes. Le modèle décrit particulièrement bien le gaz ténu situé en périphérie des galaxies — ce fameux « sirop » qui s'étend sur des centaines de milliers d'années-lumière.
Pourquoi le modèle sous-estime-t-il les nuages denses ? Peut-être lui manque-t-il certains processus qui compriment le gaz : explosions de supernovae, éjections de trous noirs ou collisions de galaxies. C'est comme si un cuisinier oubliait d'ajouter de la levure à la pâte — le gâteau est là, mais il n'est pas assez gonflé. La différence entre le modèle et la réalité indique quels « levains » il faut ajouter à la prochaine version de la simulation.
Cette approche — comparer le modèle aux observations — aide à calibrer notre compréhension de la façon dont les galaxies respirent : elles aspirent le gaz, le transforment en étoiles et le rejettent. Plus le modèle reproduira fidèlement le schéma d'absorption de la lumière des quasars, plus nous pourrons affirmer avec certitude que nous comprenons correctement le cycle de la matière dans l'Univers.
La lumière d'un quasar, en traversant un nuage de gaz, peut révéler sa composition : les atomes de magnésium et de fer laissent dans le spectre des « empreintes digitales » caractéristiques à des longueurs d'onde strictement définies.