Hubert REEVES. 1: Les secrets de la matière noire. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique La matière noire est un concept très important en cosmologie et en astrophysique moderne. Ce dossier va présenter l'ensemble des problèmes que l'on regroupe sous le nom de matière noire. Tout d'abord, dans un certain nombre d'objets astrophysiques, les mouvements observés sont différents de ceux auxquels on s'attend en théorie, quand on essaie de les déduire de l'action gravitationnelle des masses observées, tout se passe comme si une densité de masse invisible était présente.
Ensuite, le modèle standard de formation des grandes structures dans l'univers, qui explique d'une part comment les galaxies et les amas de galaxies se forment, et d'autre part les propriétés du rayonnement de fond cosmologique, ne permet de rendre compte des observations qu'à condition que l'univers contienne une grande quantité de masse sous une forme différente de la matière ordinaire.
La matière noire existe-t-elle ? 2: Une petite histoire : Uranus et Neptune, Mercure et Vulcain. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique - A : Une petite histoire de planètes Nous allons commencer par une petite histoire, ou plutôt un épisode de l'Histoire des sciences, qui semble n'avoir pas grand-rapport avec les problèmes modernes de matière noire, puisque nous allons parler de planètes. Cependant, la petite moralité de cette histoire pourra servir de guide dans les pages qui suivent. Le lecteur impatient peut passer directement à la page suivante !
- B : Les orbites des planètes Très tôt dans l'histoire de l'astronomie, il a été observé que certains astres occupaient dans le ciel des positions qui varient dans le temps. . - C : Les errances d'Uranus et la découverte de Neptune Quand on a cherché à faire cette comparaison de plus en plus précisément, plusieurs problèmes sont apparus. Uranus à gauche, et son élément perturbateur, Neptune, à droite. - D : Les errances de Mercure et la Relativité Générale L'histoire se répète dix ans plus tard.
3: Les avatars de la matière noire : (1) dans les amas de galaxies. La plupart des galaxies sont regroupées dans des amas, auxquels elles sont liées gravitationnellement : l'ensemble de l'amas attire et retient chacune des galaxies. L'observation approfondie des amas montre qu'ils contiennent aussi une grande quantité de gaz. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour estimer la masse de ces amas, et toutes les mesures s'accordent pour indiquer qu'elle est plus grande que celle des galaxies et du gaz réunis. Il semble donc que ces objets contiennent une grande quantité de masse sous une autre forme, qu'on appelle matière noire.
Les amas de galaxies constituent des objets de choix pour étudier le problème de la matière noire, car on peut étudier leur distribution de masse par plusieurs méthodes indépendantes : Tout d'abord, au sein de chaque amas, les galaxies se déplacent. Les formules utilisées sont fausses, et la théorie qui nous les donne n'est pas valide... - C : L'émission en X du gaz chaud - D : Les lentilles gravitationnelles - G : Résumé.
4: Les avatars de la matière noire : (2) La cosmologie. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique - A : La géométrie de l'Univers La gravitation est aujourd'hui décrite par la relativité générale, selon laquelle les masses (ou plus exactement l'énergie et les flots d'énergie) courbent l'espace-temps (sous cette simplicité déconcertante se cachent un certain nombre de subtilités, voir le dossier sur la relativité générale). L'Univers contenant une multitude de masses, l'espace-temps a une forme très irrégulière. Cependant, à très grande échelle, il semble que l'Univers soit très homogène (un peu comme une tôle de métal peut apparaître assez plane vue de loin, même si elle est toute cabossée vue de près). On peut alors se poser la question de la géométrie globale de l'espace-temps.
De façon théorique, il se trouve que cette courbure est reliée à la densité totale de matière et d'énergie. Deux tableaux de Vermeer, l'astronome et le géomètre, peints la même année. . - B : La nucléosynthèse primordiale - C : Le rayonnement de fond cosmologique. 5: Les avatars de la matière noire : (3) Les galaxies. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique - A : La rotation des galaxies Les étoiles des galaxies spirales ne sont pas statiques mais ont un mouvement circulaire autour du centre.
La force centrifuge due à cette rotation compense la force de gravitation, c'est elle qui empêche les étoiles de s'effondrer vers le cœur des galaxies. Galaxies spirales, l'une vue de face (à gauche), l'autre de profil (à droite). A une distance donnée du centre de la galaxie, la vitesse de rotation est donc reliée à l'attraction gravitationnelle en cet endroit, et donc aussi à la distribution de masse dans la galaxie. On peut mesurer la vitesse de rotation (grâce au décalage spectral appelé effet Doppler) pour chaque distance par rapport au centre de la galaxie ; on obtient alors une courbe de rotation, qui est elle aussi déterminée par la distribution de masse.
Images d'une galaxie spirale dans plusieurs longueurs d'onde, et courbe de rotation obtenue, en bas à droite. Amas globulaires. Galaxie elliptique M87. 6: Les propriétés de la matière noire. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Nous avons vu, dans les pages précédentes, plusieurs indices plus ou moins cohérents indiquant que l'Univers contient de la matière noire. Essayons de réunir ce qu'on pense savoir des propriétés de la matière noire : - A : Quantité de matière noire La cosmologie nous indique que la composition de l'univers serait approximativement (les chiffres sont à prendre avec un grain de sel, 73 % aujourd'hui, ce peut très bien être 80 % ou 60 % demain) : 73 % d'énergie noire (par exemple une constante cosmologique)27 % de matière répartie comme suit 23 % de matière non baryonique 4 % de matière baryonique L'étude des amas de galaxies indique que 90 % de leur masse est sous une forme invisible.
L'étude des galaxies elles-mêmes indique que la grande majorité de leur masse aussi est sous forme invisible. - B : Distribution de la matière noire dans l'espace : les amas de galaxies - C : Les simulations numériques : des grumeaux de matière noire ? - D : Conclusion. 7: Les candidats. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Différentes possibilités sont envisagées pour résoudre le problème de la matière noire.
Celles-ci ne sont pas exclusives : la solution est peut-être un mélange de plusieurs ingrédients (ou n'en fait intervenir aucun !). En l'état actuel de la compréhension des choses, il semble que l'on soit confronté à deux problèmes distincts : celui de la matière noire baryonique (cette fraction des baryons que l'on sait être présents par les arguments présentés précédemment, mais que l'on ne voit pas) et celui de la matière noire non baryonique (qui représente la composante principale). Nous allons d'abord passer en revue quelques candidats baryoniques, puis nous intéresser aux candidats non baryoniques, dont la nature est encore très hypothétique. ** La matière noire baryonique ** - A : Les objets astrophysiques Il n'est pas insensé s'imaginer qu'il existe dans l'Univers de la matière qui n'émet pas suffisamment de lumière pour être vue directement.
8: La quête d'une preuve expérimentale (1) : Tester les modèles "standard" RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Une première manière de s'attaquer au problème de la matière noire, c'est de s'assurer que les théories qu'on utilise sont valides. Bien sûr, personne n'a attendu les astrophysiciens pour ça, mais la matière noire donne une motivation nouvelle pour ces tests. En particulier, nous avons mentionné plus haut que des extensions du modèle standard prédisaient l'existence de nouvelles particules. D'autre part, il a été proposé que les lois de la gravitation que l'on utilise ne soient pas correctes. Il convient donc de tester ces deux théories.. - A : Tester les modèles alternatifs de physique des particules Tout d'abord, les extensions du modèle standard de la physique des particules, celles-là même qui suggèrent l'existence de nouvelles particules, prédisent aussi d'autres phénomènes nouveaux.
. - B : Les tests de précision de la Relativité Générale Nous avons mentionné la possibilité que les lois de la gravitation diffèrent de celles que l'on utilise. 9: La quête d'une preuve expérimentale (2) : Détecter la matière noire. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Une autre voie d'approche est de supposer que l'Univers est effectivement rempli de matière noire, et d'essayer de la détecter. Ceci constitue une activité de recherche intense, et on peut distinguer deux approches : Détection directe : on instrumente un bloc de matière et on attend qu'une particule vienne interagir...Détection indirecte : on cherche dans le ciel des signaux anormaux, qui pourraient venir de la désintégration ou l'annihilation de particules de matière noire. - A : La recherche d'objets compacts : les microlentilles gravitationnelles Dans un sens, beaucoup d'observations du ciel peuvent être considérées comme des recherches de matière noire, on essaie de détecter des choses que l'on avait pas encore vues...
Ce phénomène est rare, et il faut observer des millions d'étoiles si on veut détecter quelques événements de microlentille. . - B : La détection directe Plusieurs expériences sont dédiées à ce type de recherches. 10: Conclusions. RichardTaillet Enseignant Chercheur Physique Au moment de conclure, il est difficile de donner une vision finie et cohérente de ce sujet, toujours en pleine effervescence, et qui contient finalement plus de questions que de réponses.
Selon son caractère ou même son humeur, on peut tirer deux sortes de conclusions : - A : Version optimiste De nombreux indices convergent pour indiquer que l'Univers contient une grande quantité de matière sous une forme non lumineuse. . - B : Version pessimiste On ne parvient pas à expliquer un grand nombre d'observations astrophysiques. Je n'ai rien d'autre à direNotre chance est d'ignorer d'où viennent les lointainsEt de quel azur s'alimentent les fournaisesNous avons vocation d'ignorer tant de choses Denis Clavel, "La théorie de Delphes" (2002) - C : Merci.