Matière noire | ||||
Qu'est-ce que la matière noire ? | Mise à jour 22 javier 2010 | |||
En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable. Différentes idées 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... | La matière noire n'est pas noire mais invisible. Les observations (ou plutôt le manque d'observation directe) impliqueraient plutôt une nature non baryonique Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les représentants les plus connus sont le proton et le neutron. Le terme « baryon » vient du grec barys qui signifie « lourd » ; il se réfère au fait que les baryons sont en général plus lourds que les autres types de particules. , et donc encore inconnue. La matière noire serait pourtant plus abondante que la matière baryonique. Image : Sloan Digital Sky Survey Team, NASA, NSF, DOE | |||
La matière noire existe-t-elle ? | ||||
Un des problèmes majeurs de l'astrophysique moderne est que nous ignorons la nature de l'essentiel de la matière de l'univers. | Quand on essaie de les calculer, en fonction de l'effet gravitationnelle des masses, on observe que tout se passe comme si une densité de masse invisible était présente. Il apparait 'clairement' que l'Univers observable contient plus de matière que celle que l'on voit. La matière noire existe-t-elle ou y a-t-il une autre explication à cette bizarrerie ? | Image : image composite de l'amas du boulet constitué de deux amas voisins, entrés en collision il y a environ 150 millions d'années. Cette image montre, en rouge la distribution de la matière ordinaire, correspondant à des émissions de rayons X et en bleu, la distribution de masse totale correspondant à l'effet de lentille gravitationnelle une lentille gravitationnelle ou mirage gravitationnel est un objet très massif (un amas de galaxies par exemple), qui se situe entre un observateur et une source lumineuse lointaine. La lentille gravitationnelle imprime une forte courbure à l'espace-temps, qui a pour effet de dévier tous les rayons lumineux qui passent près d'elle, déformant ainsi les images reçues par l'observateur. . On distingue bien l'onde de choc au sein du gaz, issue de la collision entre les deux amas, ainsi que son retard par rapport à la matière noire contenue dans chaque amas, qui ne semble pas avoir été affectée par la collision. | ||
Quantité de 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 (Le mouvement de leurs galaxies, les propriétés du gaz chaud qu'ils contiennent, les phénomènes de lentilles gravitationnelles qu'on y observe, la perturbation du rayonnement de fond cosmologique qu'ils induisent, la modélisation de leur formation par effondrement gravitationnel). | L'observation des amas de galaxies permet de montrer que la matière noire est distribuée de façon moins concentrée, plus étendue, que la matière ordinaire. Les simulations numériques sur les propriétés de l'Univers primordial, permettent de retrouver la distribution de matière noire autour des amas de galaxies. En effet, ces simulations indiquent que sur des petites échelles, la matière noire aurait tendance à former des grumeaux, avec des masses individuelles allant de celle de la Terre à celle d'une galaxie. La matière noire serait une pâte à crêpe englobant les amas de galaxies, et contenant une multitude de grumeaux de petite taille. Ben Moore a développé des fermes d'ordinateurs spécifiquement dédiés à ce type de problème (cette image a nécessité 6 mois de calcul). Image : Résultats issus de simulations effectuées par Ben Moore. L'image représente une vue d'ensemble de la distribution de matière noire dans une tranche d'Univers de 10 000 années-lumière de côté. Les deux zooms représentent cette région faisant respectivement 100 années-lumière puis 1 année-lumière. | |||
Nature de la matière noire | ||||
Deux grandes théories s'affrontent sur la nature de la matière noire. La matière noire chaude et la matière noire froide. Ces théories reposent sur la masse des particules composant la matière noire et leur vitesse. | La matière ordinaire va alors se regrouper pour former d'abord des galaxies (à partir de nuages de gaz), qui elles-mêmes se regrouperont en amas, puis superamas. C’est le scénario dit « du bas vers le haut ». Ces deux théories étaient défendues par Yakov Borisovitch Zeldovitch pour la matière noire chaude, et James Peebles pour la matière noire froide. Image : Forêt Lyman alpha obtenue par une simulation numérique, dans une zone de 30 millions d'années-lumière de côté. Il est possible de détecter les grands nuages primordiaux d'hydrogène, grâce à leurs propriétés d'absorption. On observe un décalage vers le rouge d'un facteur qui dépend de la distance. Cela permet de voir, grâce aux raies d'absorption des nuages, comment la matière est répartie dans l'univers. | |||
La matière noire ou fausse théorie ? | ||||
La théorie du Big Bang permet de calculer le nombre de baryons Un baryon est, en physique des particules, une catégorie de particules, dont les représentants les plus connus sont le proton et le neutron. Le terme « baryon » vient du grec barys qui signifie « lourd » ; il se réfère au fait que les baryons sont en général plus lourds que les autres types de particules. de l'Univers (les atomes, d'hélium 4 et d'hydrogène), formés lors de la nucléosynthèse primordiale. Les astrophysiciens ont calculé le taux de matière baryonique qui serait d'environ 4 % de la densité critique. Or, pour expliquer la géométrie plate de l'Univers, la matière totale de l'Univers doit représenter 30 % de la densité critique (les 70 % restants étant de l'énergie noire). Il manque donc 26 % de la densité critique sous forme de matière non baryonique et donc constituée par d'autres particules que les baryons. De nombreux autres indices convergent pour indiquer que l'Univers contient une grande quantité de matière sous une forme non lumineuse. En outre, le modèle du Big Bang est en accord remarquable avec l'ensemble des observations, à condition que l'Univers contienne environ 30 % de matière noire et environ 70 % d'énergie noire. | Certains physiciens se tournent par exemple vers la théorie des cordes. La théorie des cordes ajoute six nouvelles dimensions aux quatre usuelles (les trois dimensions de l'espace et le temps) et placerait la matière noire dans ces nouvelles dimensions qui nous sont inaccessibles. Les forces électromagnétiques et nucléaires fortes et faibles seraient confinées dans nos quatre dimensions et ne pourraient les quitter. | Image : Les dimensions des particules. |