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Définition de : MASSE CACHÉE, astronomie

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Article publié par Encyclopaedia Universalis MASSE CACHÉE, astronomie Chaque galaxie contient environ dix fois plus de masse que celle de tous les objets visibles qu'elle renferme. Où est le restant de la masse, que l'on appelle masse cachée, ou masse sombre, ou masse invisible ? Quelle est sa nature, sa répartition, son origine ? L'énigme de la masse cachéeL'énigme de la masse cachée Les galaxies spirales, toutes les observations le confirment, ne pèsent pas assez lourd pour justifier leur existence. Une galaxie spirale est constituée – entre autres composants – de milliards d'étoiles qui tournent autour de son centre, à des vitesses de l'ordre de la centaine de kilomètres par seconde. Si ces étoiles aussi rapides restent attachées à la galaxie plutôt que de se disperser dans l'espace, c'est qu'elles sont retenues par une force de gravitation, comme la Terre est retenue autour du Soleil. Compte tenu des vitesses mesurées, il est facile de calculer le champ gravitationnel requis pour retenir les étoiles. Nous disposons d'une théorie de la gravitation : la relativité générale. Dans les cas qui nous intéressent (dynamique du système solaire, des galaxies, des amas de galaxies), ses prédictions sont identiques à celles de la théorie e proposée par Newton dès le xvii siècle. L'une ou l'autre de ces théories nous permet d'évaluer la quantité de masse nécessaire pour engendrer le champ 13 gravitationnel susceptible de retenir les étoiles : environ 10 fois la masse du Soleil.
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MASSE CACHÉE, astronomie

Chaque galaxie contient environ dix fois plus de masse que celle de tous les objets visibles qu'elle renferme. Où est le restant de la masse, que l'on appelle masse cachée, ou masse sombre, ou masse invisible ? Quelle est sa nature, sa répartition, son origine ?

L'énigme de la masse cachée

Les galaxies spirales, toutes les observations le confirment, ne pèsent pas assez lourd pour justifier leur existence. Une galaxie spirale est constituée – entre autres composants – de milliards d'étoiles qui tournent autour de son centre, à des vitesses de l'ordre de la centaine de kilomètres par seconde. Si ces étoiles aussi rapides restent attachées à la galaxie plutôt que de se disperser dans l'espace, c'est qu'elles sont retenues par une force de gravitation, comme la Terre est retenue autour du Soleil. Compte tenu des vitesses mesurées, il est facile de calculer le champ gravitationnel requis pour retenir les étoiles.

Nous disposons d'une théorie de la gravitation : la relativité générale. Dans les cas qui nous intéressent (dynamique du système solaire, des galaxies, des amas de galaxies), ses prédictions sont identiques à celles de la théorie proposée par Newton dès le xviie siècle. L'une ou l'autre de ces théories nous permet d'évaluer la quantité de masse nécessaire pour engendrer le champ gravitationnel susceptible de retenir les étoiles : environ 1013 fois la masse du Soleil. Cette valeur est appelée masse dynamique, Md, car son estimation résulte de calculs dynamiques.

Par ailleurs, les astronomes ont répertorié à peu près tout ce que peut contenir une galaxie : des étoiles, en premier lieu, faciles à voir puisque brillantes, mais aussi de grandes quantités de gaz et de poussière, décelables par leurs rayonnements X, radio, ultraviolet... On peut en déduire la masse totale de la galaxie ; pour chacune, le résultat est identique : environ un dixième seulement de Md.

Parfois, deux galaxies proches l'une de l'autre subissent des influences gravitationnelles mutuelles. Les analyses de tels systèmes confirment les estimations des masses dynamiques.

Les preuves ne se bornent pas aux galaxies. Celles-ci sont en effet le plus souvent rassemblées en vastes amas de galaxies. À l'intérieur d'un amas, les galaxies se déplacent, d'une manière apparemment plus désordonnée que les étoiles dans les galaxies spirales. Pour chacune des galaxies de l'amas, les astronomes mesurent la vitesse, ou du moins sa composante radiale (dirigée vers l'observateur). Un raisonnement du même type que pour les étoiles dans les galaxies permet d'estimer la masse dynamique de l'amas, avec des conclusions analogues : celle-ci est environ dix fois plus élevée que l'addition des masses de tous les objets visibles qu'il contient. Ce constat, formulé par l'astrophysicien suisse Fred Zwicky dans les années 1930, marque en fait la naissance de l'énigme de la masse cachée, toujours non résolue.

Ces estimations sont confirmées par d'autres types d'observations. Les amas sont baignés d'un gaz très chaud qui émet des rayons X ; la mesure de la température de ce gaz fournit la vitesse des atomes qui le constituent, ce qui mène à une estimation analogue pour Md.

Un autre résultat spectaculaire confirme encore ces conclusions. D'après la relativité générale, la gravitation modifie la structure de l'espace-temps, en le munissant d'une courbure. De ce fait, les rayons lumineux ne décrivent pas exactement des droites : ils sont incurvés d'une manière qui dépend de la courbure, donc du champ gravitationnel. La masse énorme d'un amas engendre un champ gravitationnel qui crée dans son voisinage de spectaculaires phénomènes de « lentille gravitationnelle », dus à la courbure des rayons lumineux. Leur analyse permet aux astronomes de reconstituer la courbure et d'en déduire la gravitation qui en est la cause, donc la masse qui en est la source. Cette masse, que l'on pourrait qualifier cette fois d'« optique », coïncide avec la masse dynamique. Le problème de la masse cachée est encore une fois confirmé.

Ce problème a d'importantes implications cosmologiques. En effet, la courbure et la loi d'expansion de l'Univers diffèrent selon que celui-ci contient ou non dix fois plus de matière que ce que l'on voit, ce qui constitue l'opinion aujourd'hui admise. Néanmoins, la question de la masse cachée n'est pas d'ordre essentiellement cosmologique. Sa solution, quelle qu'elle soit, ne remettra probablement pas en cause nos modèles cosmologiques de big bang.

Les débats autour de la masse cachée

Où se situe exactement la masse cachée ? Sous quelle forme se présente-t-elle ? Comment est-elle apparue ? Depuis les années 1930, les astronomes n'ont pas manqué d'idées à ce propos.

Lorsqu'on se demande quels objets pourraient constituer dix fois plus de masse que les objets visibles, tout en restant invisibles, une première réponse vient à l'esprit : les trous noirs, précisément très massifs et invisibles. Mais ces derniers manifestent leur présence en perturbant très fortement leur environnement. Si l'Univers contenait suffisamment de trous noirs pour constituer une part importante de la masse cachée, on aurait déjà décelé (indirectement) leur présence. Il faut chercher autre chose.

Autour de beaucoup d'étoiles gravitent sans doute des planètes, qui nous restent invisibles, comme la Terre le serait depuis une autre étoile. Cependant, même en supposant que chaque étoile est entourée d'un cortège planétaire analogue à notre système solaire, la contribution n'atteindrait qu'un millionième environ de la masse nécessaire. Il faut encore chercher ailleurs.

Les astrophysiciens ont émis dans les années 1980 l'idée que des objets intermédiaires entre planètes et étoiles, appelés naines brunes, pourraient exister en nombre suffisant dans le halo des galaxies pour constituer la masse cachée. Les Anglo-Saxons les ont appelés Machos (Massive Compact Halo Objects). Des campagnes d'observation minutieuses ont été menées pour tenter de les détecter ; ici encore avec des résultats négatifs.

L'échec de ces recherches, mais aussi d'autres raisons plus probantes liées aux modèles de formation des galaxies, ont mené les astrophysiciens à conclure que la masse cachée était de nature plus « exotique ». La matière ordinaire, dont nous sommes faits, et dont sont faites aussi les étoiles, est constituée de particules élémentaires ; l'essentiel de sa masse est porté, dans les noyaux des atomes, par les neutrons et les protons, qualifiés de baryons. Pour cette raison, elle est qualifiée de baryonique.

On ne voit pas aujourd'hui comment des objets constitués de matière baryonique auraient pu échapper à toutes les tentatives de détection. D'autres arguments, issus des modèles de formation des galaxies ou d'analyses cosmologiques (observations du fond diffus cosmologique, calculs de la nucléosynthèse primordiale...) ont renforcé l'idée que l'essentiel de la masse n'est pas baryonique. Elle serait donc, pour une grande part, « non baryonique ».

Précisément, les physiciens des particules ne semblent guère satisfaits de leur « modèle standard », celui qui décrit le mieux aujourd'hui la physique des particules. Ils admettent l'existence possible, en sus des particules répertoriées, de nouvelles espèces dont nul ne connaît aujourd'hui l'abondance, les masses, ni les autres caractéristiques. Pourraient-elles exister en nombre suffisant pour constituer une grande partie de cette masse cachée, alors non baryonique ? Il s'agit aujourd'hui de l'hypothèse la plus populaire. Cela veut dire que 90 p. 100 du contenu matériel de l'Univers existerait sous une forme dont nous ne connaissons rien, dont nous n'observons rien, sinon un effet gravitationnel indirect. D'innombrables suggestions ont été avancées, mais aucune ne s'impose vraiment. Les recherches directes n'ont encore fourni aucun résultat.

Nous sommes ainsi dans une situation étonnante : la nature, la localisation et les propriétés de 90 p. 100 de la matière qui constitue l'Univers nous restent totalement inconnues. Certains refusent cette conjecture, en l'absence de modèle théorique convaincant, en arguant de caractéristiques dynamiques particulières dans les galaxies. Mais la seule alternative consiste à remettre en cause les théories utilisées pour les analyses dynamiques. Ne devrions-nous pas remplacer la relativité générale, qui n'a jamais été testée aux très grandes échelles caractérisant les galaxies ou les amas, par une autre théorie ? Certains indices le suggèrent, mais aucune autre théorie n'est aujourd'hui disponible.

Finalement, que l'on imagine une nouvelle espèce de particules, ou que l'on imagine des modifications de la dynamique gravitationnelle, une nouvelle physique est requise. D'un côté – masse cachée – comme de l'autre – nouvelle dynamique –, aucune tentative phénoménologique, c'est-à-dire qui cherche à construire un modèle ou une théorie en partant des résultats d'observation, n'a permis d'avancer.

On ne peut modifier la physique en cherchant à « bricoler » de nouvelles lois qui rendraient compte des observations. Au contraire, des lois nouvelles doivent être dérivées de principes généraux (on pourrait dire « métaphysiques ») : c'est bien ainsi, par exemple, que fut construite la relativité générale, et non pas en cherchant à expliquer tel ou tel résultat d'observation.

L'une des pistes explorées aujourd'hui – supersymétrie, théorie des cordes, gravité quantique... – apportera peut-être la solution. Toujours est-il que le problème de la masse cachée demeure, et qu'il nous offre l'occasion d'une réflexion épistémologique en profondeur. La tâche est ardue, au moins autant pour les physiciens que pour les astronomes.

Auteur: Marc LACHIÈZE-REY
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