Le mystère de la matière noire bientôt découvert ? - Matière noire, énergie noire : quand l’Univers nous cache des choses…

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Une équipe de chercheurs affirme être sur le point de découvrir la matière noire. Ce résultat est le fruit d'une expérience de 18 mois menée à bord de la Station spatiale internationale.

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• Publié le: 04 avril 2013
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Matière noire, énergie noire : quand l’Univers nous cache des choses…

« L’espace a pour jouet le cri : je ne sais pas ! »

Stéphane Mallarmé

Après des siècles d’une vision statique et immuable du cosmos, la cosmologie du XXème siècle a mis en évidence l’historicité de l’Univers.L’immutabilité du cosmos d’Aristote a définitivement volé en éclats. Trois cariatidessoutiennent ce nouveau paradigme :

*L’expansion de l’Univers

*La découverte du fond diffus cosmologique

*L’abondance relative des éléments chimiques

Cette avalanche de connaissances inédites a été possible grâce en particulier à des avancées théoriques comme la relativité générale qui nous donne la possibilité de penser l’Univers et de le modéliser dans son ensemble et à la mise en orbite de satellites, ces prothèses électroniques qui ont prolongé notre vision et diminué notre cécité.

La sonde WMAP

Pourtant depuis quelques années, de nouveaux éléments viennent, encore une fois, ébranler les certitudes. L’Univers etles objets physiques qui le composent ne seraient que l’écume d’un océan d’inconnu. Un Univers « iceberg » où près de 95% de son contenu énergétique et matériel nous échappe complètement.Ainsi, les cosmologistes ont inventé tout un vocable plus ou moins ésotérique pour désigner ces nouvelles entités qui semblent constitué le gros des cieux : énergie noire, matière noire, quintessence, constante cosmologiques, wimps…

« L’essentielest invisible pour les yeux», c’est avertissement du Renard au Petit Prince. Pourtant, comme nous le rappelle Albert Einstein: «La chose la plus incompréhensible est que l’Univers est compréhensible ». Espéronsque cela soit vrai.

En astrophysique, lamatière noire (oumatière sombre)désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies et de leur formation. Différentes hypothèses ont été émises et explorées sur la composition de cette hypothétique matière noire : gaz moléculaire, étoiles mortes, naines brunes en grand nombre, trous noirs, etc. Cependant, les observations (ou plutôt le manque d’observations) tendent à penser qu’il s’agirait plutôt d’une matière de type non baryonique. Ainsi, les «WIMPs »= Weakly Interactive Massive Particules seraient des candidats parfaits pour jouerle rôle de cette matière fantomatique. Ces particules sontprédites par les « supersymétries »,concept quiassocie à chaque particule un partenaire de spin différent ! Ainsi, le neutralino serait à la fois stable, de masse élevée et interagirait faiblement. Idéal !

Fritz Zwicky (18981974)

En 1933, l’astrophysicien Fritz Zwicky, connu pourson tempérament de feu (il affublait ses collègues de noms d’oiseaux plus exotiques les uns que les autres…), souhaite étudier un petit groupe de

galaxies dans l’amas de Coma. Après avoir effectué sa «pesée »,il constate que la masse dynamique de l’amas était beaucoup élevée que sa masse lumineuse. De la matière invisible était donc présente au sein de cette formation. Malheureusement, cette découverte sera oubliée car les amas sont des structures considérées à l’époque comme instables et la mise en évidence de l’expansion de l’Univers était considérée à l’époque comme une question plus fondamentale que de savoir s’il manquait un peu de matière au sein d’un amas galactique…

Dans les années 70, une astronome, Vera Rubin étudie la courbe de rotation des galaxies et constate, comme Zwicky, que la masse dynamique est supérieure à la masse lumineuse.

La masse dnami ueest normalement la seule masse véritable,uis u'ils'a itd'une mesure de la masse déduite de son influenceravitationnelle. Toute masse étant soumise à la force de ravitation, il n'a aucune raison deenser uela masse dnami ueobservée est fausse. Ce n'est as aussi simle ourla masse lumineuse. Pour mesurer cette dernière, on fait l'hothèse uetoute la masse de laalaxie (ou de l'amas dealaxies) est constituée d'étoiles. Ces étoiles raonnent, et si l'on connaît (mais c'est très difficile) leur distribution (masse, nombre, âe, etc.), l’infraroue roche est donc un bon « traceur » de masse (il esteu sensible au fort raonnement des étoiles massives et ermet de détecter l’émission des étoiles moins massivesui iuent dans l'o ti ue et dans l’infrarouge). En analysant le spectre des galaxies spirales vues par la tranche, comme la galaxie d'Andromède, il est possible d'en déduire la courbe de rotation. La courbe de rotation décrit la vitesse de rotation de la galaxie en fonction de la distance au centre. Cette courbe de rotation est une mesure directe de la distribution globale de matière dans la galaxie. La vitesse maximale de rotation d'une galaxie spirale se trouve à quelques kiloparsecs du centre, puis elle est censée décroître, en suivant une décroissance képlérienne. En effet, les étoiles à la périphérie de la galaxie sont en orbite autour du centre, de la même manière que les planètes sont en orbite autour du Soleil. Les étoiles en périphérie de la galaxie tournent donc moins vite que celles plus près du centre. La courbe de rotation, après un maximum, se met à redescendre.

Une galaxie spirale

Courbe de rotation d’une galaxie spirale théorique (A) et observée (B)

Or, Vera Rubin observa que les étoiles situées à la périphérie de la galaxie d'Andromède — comme pour d'autres galaxies spirales — semblent tourner trop vite (les vitesses restaient pratiquement constantes au fur et à mesure que l'on s'éloignait du centre). La courbe de rotation des galaxies spirales, ou en tous cas de certaines d'entre elles, était plate. La vitesse ne décroissait pas alors que l'on s'éloignait du centre. De nombreuses autres observations similaires sont effectuées dans les années 1980, venant renforcer celles de Vera Rubin. Cette observation pose de profondes questions, car la courbe de rotation mesure bien la masse dynamique. Aucune hypothèse au sujet de l'âge, de la distribution de masse des étoiles n'est nécessaire. La seule supposition est que les étoiles qui sont la

source de la lumièreui forme le sectre analsé sont bien des traceurs de la masse de laalaxie. Comment imainer alorsue les étoiles,rinci alescom osantesde matière dans lesalaxies s irales,tournent de manière nonkélerienne, c'estàdire ne suivent tout simlement lusles lois de la gravitation ?

Une exlication ossibleest d'imainer l'existence d'uni antes uehalo de matière non visible entourant lesalaxies ;un haloui rerésenterait us u'àrès de 90% de la masse totale de la alaxie, voirelus dans certainesalaxies naines. Dans les 2000 alaxies u'ontcarto ra hiées l'astronome canadienne Catherine Hemans et saartenaire, Mean Grade Halifax, seulement 10 %était comosé deaz surchauffés et 3% seulement de matière visible. Le reste était de la 4 matière noire . Ainsi toutes les étoiles se trouventres ueau centre de l'extension véritable de la « alaxie» (cette foisci comosée de laalaxie visible et du halo de matière sombre), et tournent donc normalement. Cela revient à dire que les étoiles, même celles à la périphérie visible de la galaxie, ne sont pas « assez loin » du centre pour être dans la partie redescendante de la courbe de rotation. Il reste à observer directement cette fameuse matière pour confirmer que c'est la bonne explication. Personne n'y est encore parvenu jusqu'à aujourd'hui.

La présence de matière noire est l’uneexplications possibles, et aujourd'hui la plus des convaincante. Elle a l'immense avantage d'être simple et d'aller dans le bon sens. En effet, les astronomes se doutaient bien que les galaxies contiennent des astres très peu lumineux (comme les naines brunes, naines blanches, trous noirs, étoiles à neutrons) qui peuvent constituer une partie importante de la masse totale de la galaxie, mais qui ne sont pas visibles avec les instruments o ti ueshabituels. Avec la mesure de la courbe de rotationlate lelus loinossible du centre, l'observation desalaxies sirales dans d'autres lonueurs d'onde (afin de mieux caractériser la résence d'obets eulumineux dans le domaine visible) fut un des efforts maeurs de l'astronomie pour étudier le problème.

La matière noireose de nombreuxroblèmes, maiseut en résoudre certains autres. Oneut la faire intervenirour exli uerla formation desrandes structures de l'univers (alaxies, amas de galaxies, superamas, etc.).

Le roblèmeest le suivant. On suose ue eude tems arès le BiBan ,l'Univers, comosé de rotons, de neutrons, d'électrons, dehotons et autresarticules est àeu rèshomo ène,c'està dire uniforme en toutoint, car sa temérature est troélevée our ermettreaux articules ui forment les atomes de se rerou er.Au ourd'hui,lors uel'on observe la réartition des obets dans l'Univers, on remarue u'ilsne sontas distribués de manière uniforme ; on suose doncu'il a fallu ue de la matière se concentre uneu lusen certains endroits, formant des fluctuationsue l'on appelle « fluctuations primordiales ».

Et ourre érerces fluctuations de densité sur le fond diffus cosmoloi ue,il suffit de reérer les différences de tem ératuresrovenant de ce raonnement fossile. La tem érature moenne relevée est d'environ 2,7 K. Des zones léèrement luschaudes indiueraient une densité de matière un peu plus forte. Il suffisait que ces fluctuations soient de l'ordre du millième de degré pour expliquer la formation des galaxies à partir de ces regroupements de matière.

Malheureusement ourcette théorie, le satellite COBE lancé en 1992 ne révélaue des variations de température de l'ordre du cent millième de degré, ce qui est bien trop faible pour que les grandes structures de l'Univers puissent s'être formées à partir de ces fluctuations primordiales en seulement 13,7 milliards d'années.

C'est là qu'on fait intervenir la matière noire pour sauver la théorie. Les protons, neutrons et électrons ne pouvaient se regrouper pour former les atomes à cause de la pression des photons. En revanche, la matière noire n'interagit pas avec les photons et n'aurait donc pas subi cette pression, ce qui lui aurait ermisde créer des fluctuations de densité (invisibles) bien avant la matière ordinaire. Ces fluctuations auraient ainsiu attirer,ar ravitation,la matière ordinaire lors du découla ematière ra onnement de la nucléos nthèserimordiale (découla eui a libéré leshotons et rendu l'Univers transparent).

Depuis la découverte de l’expansion de l’Univers par Edwin Hubble en 1929, les cosmologistes étaient persuadés que cet envol cosmique ralentissait en raison de l’attraction gravitationnelle. Au cours des années 90, plusieurs observations ont mis un terme à cette vision du cosmos. Tout indique que l’Univers se dilate à un rythme de plus en plus important, mû par une forme d’énergie totalement inconnue. Cette « énergie noire » représenterait le constituant majeur de l’Univers.

En 1998, des travaux sur les supernovae de type Ia ont eu pour ambition de confirmer la décélération de l’expansion. Ces supernovae présentent en effet une luminosité très similaire d’où l’idée de les utiliser comme des «bougies de référence», ces phénomènes cosmiques correspondant à l’explosion thermonucléaire d’une étoile. Ainsi, le rapport entre leur luminosité absolue et apparente indiquerait leur distance, et le décalage de leur spectre d’émission, leur vitesse. On mesurerait ainsi le ralentissement présumé de l’expansion. Pourtant, une surprise de taille attendait les astronomes : les supernovae étaient, en moyenne, 25 % moins brillantes et plus distante que prévu! Il fallait donc admettre que les distances dans l’Univers augmentaient en raison d’une expansion accélérée imputable à une forme d’énergie inconnue.

Cette accélération serait un phénomène relativement récent dans l’histoire de l’univers. Auparavant, l’expansion décélérait, dominée par la matière et son influence gravitationnelle. Depuis 5 milliards d’années, la matière s’étant diluée, l’énergie noire a pris le dessus et sculpte l’Univers actuel.

Pour conclure : le modèle standard de la cosmologie

L’univers observable est issu d’une phase dense et chaude (Big Bang), durant laquelle un mécanisme a permis à la région qui nous est accessible d’être très homogène mais de présenter de petits écarts à l’homogénéité parfaite. Ce mécanisme est probablement une phase de type inflation, quoique d’autres mécanismes aient été proposés.

L’univers actuel est empli de plusieurs formes de matières :

yLes photons, c’estàdire les particules représentant toute forme de rayonnement électromagnétique,

yLes neutrinos,

yLa matière baryonique, qui forme les atomes,

yUne ou plusieurs formes de matière inconnues en laboratoire mais prédites par la physique des particules appelées matière noire, responsable entre autres de la structure des galaxies, bien plus massives que l’ensemble des étoiles qui les composent,

yUne forme d’énergie aux propriétés inhabituelles, appelée énergie noire ou constante cosmologique, responsable de l’accélération de l'expansion de l'univers observée aujourd’hui (et probablement sans rapport direct avec l’inflation).

« Ce que nous avons appris est semblable à une poignée de terre; ce qu’il nous reste à apprendre ressemble au monde entier… »