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Cosmologie

Comprendre la Matière noire: introduction et guide de base

En cosmologie, la matière noire ou matière sombre(dark matter), parfois aussi nommée matière transparente, désigne une catégorie de matière hypothétique, invoquée pour rendre compte de certaines observations astrophysiques, notamment les estimations de la masse des galaxies ou des amas de galaxies et les propriétés des fluctuations du fond diffus cosmologique. Pourquoi les astronomes sont-ils certain de son existence, alors qu’ils ne l’ont pas détectée ? Est-ce plus qu’une simple théorie ? Comment cartographient-ils la matière noire ?

Les premières idées liées à la matière noire viennent d’un astronome nommé Fritz Zwicky qui a postulé l’existence d’une matière exotique comme nécessaire pour expliquer les amas de galaxies. Mais le véritable coup de pouce viendrait plusieurs décennies plus tard, vers 1970, lorsque Vera Rubin a détecté une galaxie dans laquelle les étoiles les plus éloignées du centre avaient des vitesses supérieures à celles attendues selon les lois de Newton. Bien qu’elles n’aient pas été prises au sérieux au début, de nouvelles découvertes similaires dans d’autres galaxies ont attiré l’attention. Ainsi, le premier indice de quelque chose d’étrange a été trouvé dans les courbes de rotation des galaxies.

Ecart entre osbservations et théories dans les galaxies

L’écart entre les observations et la théorie est donné par le taux ou la proportion entre la masse et la lumière (M / L).  Cette valeur est beaucoup plus élevée dans les galaxies que dans le Soleil, ce qui implique, en principe, que dans les galaxies il y a des étoiles différentes de notre Soleil. Par définition, si dans une galaxie le rapport M / L était comme dans le Soleil, il serait égale à 1. Mais dans les galaxies, la valeur atteint 30. Les étoiles jeunes et massives ont des valeurs bien inférieures à 1, car elles sont beaucoup plus lumineuses. Les naines blanches sont beaucoup plus petites que le Soleil, mais avec une masse similaire et une faible luminosité, de sorte que la valeur M / L est élevée. Dans les galaxies, leur composition stellaire peut être pensée en termes d’âge: les galaxies irrégulières, avec un pourcentage élevé de jeunes étoiles, ont des valeurs faibles. Les galaxies en spirales ont des valeurs moyennes. Et les galaxies elliptiques, avec une majorité d’étoiles plus anciennes, ont les valeurs les plus élevées. Mais aucune population n’a plus de 13 milliards d’années, l’âge des amas globulaires. Les galaxies plus anciennes définissent donc la valeur maximale du rapport M / L. Un ratio supérieur à 30 est difficile à expliquer à partir de sa population stellaire. 

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Courbe de rotation de la galaxie spirale Messier 33 (points en jaune et bleu, avec barres d’erreur), et la courbe prédite par la distribution de la matière visible (ligne grise). Plus loin du centre, les vitesses augmentent plutôt que de diminuer. En général, la courbe s’aplatit, ce qui implique que malgré la distance, les vitesses sont maintenues. – crédit: wikiwand

Pour expliquer cet écart dans les galaxies étudiées par Rubin et plus tard dans presque toutes les autres, différentes hypothèses ont été émises, à savoir:

  • Dans les galaxies, il doit y avoir une quantité importante de matière dans les halos, qui ne brille pas directement. Ils peuvent être des objets compacts et massifs, comme des trous noirs ou des planètes. D’une manière générale, ils sont appelés MACHOs, acronyme de Massive Compact Halo Objects. Cette hypothèse n’a jamais été complètement écartée, mais elle l’a été en grande partie. Il présente deux défauts: bien qu’ils soient difficiles à détecter, les trous noirs peuvent être trouvés car la matière qu’ils absorbent est chauffée et brille aux rayons X. Les planètes, pour leur part, reflètent la lumière des étoiles. Avec le développement de meilleurs instruments, on pensait qu’un nombre énorme de ces objets devrait être détecté dans les halos, ce qui n’est pas le cas. D’un autre côté, pourquoi de tels objets se formeraient-ils plus dans des halos que dans des centres galactiques ? Cependant, il est possible qu’au moins une petite partie de l’écart soit due à des objets de ce type. Mais cela ne suffit pas pour expliquer les choses.
  • Peut-être qu’il n’y a rien d’étrange dans les galaxies, mais la théorie de Newton est incorrecte. Depuis lors, les physiciens ont tenté de trouver une correction qui rend compte de tout ce que les lois de Newton peuvent expliquer et aussi, à grande échelle, des observations de galaxies. Ils sont appelés Théories MOND, qui signifie “Modified Newtonian Dynamics”. Jusqu’à présent, aucune formulation qui fonctionne n’a été trouvée, bien qu’il y ait de très bonnes suggestions qui sont encore à l’étude. Par exemple, il a été suggéré que si les effets relativistes étaient pris en compte (même si les vitesses de rotation des galaxies ne représentent qu’une petite fraction de la vitesse de la lumière), l’écart dans les courbes de rotation serait beaucoup plus petit.
  • Une autre hypothèse est que dans les galaxies il y a un grand nombre de particules qui ont une masse et une gravité, mais qui n’ont pas d’interaction électromagnétique (c’est-à-dire avec la lumière) ou que leur interaction est très faible. Une particule qui pourrait répondre à de telles caractéristiques sont les neutrinos qui font partie d’une classe de particules appelées WIMP, qui signifie “particules massives à faible interaction”. 
Cette image schématique montre la distorsion géométrique que subit la lumière en provenance d’une galaxie lointaine au voisinage d’une galaxie d’avant-plan massive. Cette dernière agit telle une lentille, de sorte que la source distante apparaît déformée et amplifiée, constituant des arcs de lumière caractéristiques des anneaux d’Einstein. L’analyse de la déformation de SDP.81 a révélé l’existence, au sein de cette galaxie distante, de régions de formation stellaire. – Crédit:ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Luis Calçada (ESO)

La matière noire plus qu’une hypothèse

En plus de l’écart entre les observations et la théorie, en raison de la relation masse-luminosité, un autre élément clé pour donner aux astronomes un certain niveau de certitude sur l’existence de la matière noire réside dans les amas de galaxies et les lentilles gravitationnelles. Selon la relativité, la matière peut plier la lumière, si une quantité significative de masse est groupée. Cette prédiction de la théorie a été mise à l’épreuve très peu de temps après sa publication en étudiant une éclipse. Depuis lors, il a été détecté à plusieurs reprises qu’une telle courbure se produit. Lors de la prise d’images d’amas de galaxies, un phénomène curieux est observé: on voit des galaxies qui ne font pas partie de l’amas, mais qui en sont beaucoup plus éloignées. Cela peut être expliqué comme suit: La galaxie la plus éloignée émet de la lumière vers la Terre et entre cette galaxie et les observateurs terrestres, il y a aussi un amas de galaxies avec une grande quantité de matière. La lumière de la galaxie lointaine est pliée par une telle masse, donc l’amas fonctionne comme s’il s’agissait d’une lentille qui nous permet de voir ce qui est plus éloigné. Le phénomène est connu sous le nom de “lentille gravitationnelle”.

Mais pour que cela fonctionne, les amas de galaxies devraient avoir beaucoup plus de masse que ce qui est observé. Autrement dit, il y a une deuxième raison de postuler qu’il existe une forme exotique de matière. Et ces lentilles permettent également aux astronomes de cartographier la matière noire dans les amas de galaxies.

The Matter of the Bullet Cluster
Le groupe Bullet (1E 0657-56) a été étudié et est considéré comme une preuve solide en faveur de la matière noire. – Crédit: Nasa

Étudier la matière noire

Une façon d’étudier la matière noire consiste à utiliser le concept des oscillations acoustiques baryoniques (BAO), un concept qui découle de données déjà connues. Dans l’univers primitif, les atomes ne pouvaient pas être formés, car il faisait très chaud. Les noyaux atomiques et les électrons chargés n’ont pas pu être réunis. Les photons de lumière ont été absorbés et réémis. Mais si la matière noire existait déjà, elle n’aurait pas ce problème et pourrait former de grandes structures gravitationnelles. Quand plus tard, suite à l’expansion, l’univers s’est refroidi et a permis aux atomes de se former, ils ont dû être attirés par la matière noire et couplés pour former les structures actuelles. Ce faisant, un signal d’un tel comportement doit avoir été généré: les Oscillations Acoustiques des Baryons, qui sont étudiées lors de l’étude du Fond Cosmique des Micro-ondes. Cela signifie que si la matière noire n’existait pas, les astronomes devraient expliquer comment les étoiles d’une galaxie parviennent à se maintenir ensemble gravitationnellement, même si ces galaxies ne semblent pas avoir la matière / masse nécessaire.

Comment détecter la matière noire ?

La plupart des expériences sont basées sur la détection du rayonnement de Cerenkov, qui génère une lumière bleuâtre. Mais comme l’effet pourrait être produit par différentes particules, des installations sont créées sous la surface de la Terre, à des centaines de mètres. Puisque l’idée est de détecter des particules qui ont une faible interaction, si elles atteignent ces distances sous le sol c’est parce qu’elles ne le font pas, sinon elle ont interagi avec d’autres particules avant.

Certaines expériences tentent de reproduire des conditions naturelles extrêmes, comme dans le LHC, le grand collisionneur de hadrons. L’idée est que lorsque des protons entrent en collision à grande vitesse, de nouvelles particules émergent. Elle est également étudiée dans la direction opposée: si les particules «normales» existent en deux versions, puisqu’il existe aussi des anti-particules, alors peut-être que la même chose se produit avec la matière noire. De cette manière, la matière noire pourrait être annihilée et par conséquent produire d’autres particules connues. C’est pourquoi les neutrinos sont étudiés, comme dans l’expérience Super Kamiokande, car un excès de neutrinos pourrait impliquer qu’ils sont le produit de l’annihilation de la matière noire. 

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Carte 3D représentant l’évolution de la répartition de la matière noire depuis l’Univers primordial (à droite) jusqu’à nos jours (à gauche). – Crédit: R. MASSEY, CALTECH/NASA/ESA/STScI/SCIENCE PHOTO LIBRARY/COSMOS

Recherche de matière noire: résultats et faux-positifs

Jusqu’à présent, aucune matière noire n’a été détectée. Mais il y a eu une percée dans laquelle ses possibilités ont été limitées, car en enquêtant sur d’éventuels candidats de matière noire dans certaines gammes d’énergie et en ne trouvant rien, la recherche peut être restreinte. En contrepartie, les gammes d’énergie qui restent à étudier sont difficiles. Comme si cela ne suffisait pas, les expériences elles-mêmes peuvent produire des faux positifs, car la matière qui entoure les expériences peut générer des signaux suggérant qu’il y a eu une détection de ce qui a été recherché, alors qu’en réalité c’est autre chose.

Il convient de rappeler qu’en Argentine, une expérience a été menée pour rechercher de la matière noire, Il n’est pas inhabituel que les résultats de l’absence de découverte soient considérés comme «positifs». C’est comme perdre les clés de votre maison. Si nous ne les trouvons pas, au moins c’est une avancée pour savoir où elles ne sont pas, car cela réduit la recherche, mais la rend aussi plus difficile, car de nombreuses autres options demeurent ou sont difficiles à étudier.

Conclusion

Le concept de matière noire n’est pas qu’une “simple” hypothèse, ou un soupçon. Il s’agit d’une hypothèse basée sur de nombreuses données d’observation ratifiées et améliorées au cours des dernières décennies. L’écart entre la théorie et l’observation est si grand qu’il peut difficilement s’expliquer par des phénomènes déjà connus. Cependant, le fait que la matière noire n’ait pas été détectée et caractérisée soulève la possibilité qu’en fin de compte, elle n’existe pas. Soit ce que l’on savait sur la composition de la matière dans l’univers est largement faux ou incomplet. Soit la matière noire n’existe pas, mais il faudrait alors une autre explication à la fois pour les lentilles gravitationnelles et pour la rotation des galaxies (et même pour leur formation). Dans tous les cas, avec ou sans matière noire, il est certain qu’il manque quelque chose d’important. Compte tenu des preuves et de tout ce qui a été publié, les physiciens et les astronomes pensent que la matière noire est une trop bonne idée pour être fausse. On a dit la même chose de l’éther, qui cependant n’existe pas.L’histoire de la matière noire, quelle qu’en soit l’issue, fera partie du grand livre de l’histoire de la science, y compris l’histoire de son nom.

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Sources et liens connexes

Des indices d’un secteur sombre dans l’Univers
https://lejournal.cnrs.fr/articles/des-indices-dun-secteur-sombre-dans-lunivers

La moindre influence de la matière noire dans l’univers primitif
https://www.eso.org/public/belgium-fr/news/eso1709/

What is dark matter ?
https://www.nasa.gov/audience/what-is-dark-matter.html

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