Énigme de la masse manquante | ||||
La matière noire non baryonique | Mise à jour 22 octobre 2012 | |||
L'univers n'est pas constitué que d'atomes, 96% de notre Univers est porté manquant. C'est une théorie que nous avons du mal à conceptualiser. Dans le nord de l'Angleterre au fond d'une mine à 1600 mètres sous la surface de la Terre, des scientifiques recherchent inlassablement une nouvelle particule fondamentale, depuis les années 1970. Dans ces années là, la science pense que l'Univers est complet et que son modèle est satisfaisant. Mais en 1974, deux chercheurs de Princeton dans le New jersey aux États unis, décident de mesurer la quantité de matière contenue dans tout l'Univers. James Peebles et Jeremiah Ostriker regarde la stabilité des galaxies et ils se heurtent à un problème. Les galaxies ne sont pas stables et leur modèle informatique montre que les galaxies, au bout d'une période de rotation, se défont. Pour qu'elles soient stables il faut, en théorie, plus de matière, donc plus de gravité afin que le tout ne s'effondre pas. | Fritz Zwicky s'aperçoit à l’observatoire du Mont Wilson, en observant un groupe de galaxies dans l’amas de Coma, que les galaxies tournent les unes autour des autres, à toute allure, mais que la masse en présence n'est pas suffisante pour les empêcher de se dissocier. | Image : Les analyses du ciel par WMAP, indiquent que l'Univers est vieux de 13,8 milliards d'années (avec une précision de 1%), il est composé de 73 % d'énergie sombre, 23 % de matière sombre froide, et de seulement 4 % d'atomes. L'univers est actuellement en expansion au taux de 71 km/s/Mpc (avec une précision de 5 %). L'univers observable est passé par des épisodes d'expansion rapide appelée inflation et grandira pour toujours. | ||
La masse manquante | ||||
Qu'est-ce qui constitue la matière noire ? | La structure de l'Univers montre pourtant que la matière atomique ne représente que 4% de la matière totale. Mais la matière noire ne constitue pas les 96% manquant de l'Univers. La théorie du big bang montre que l'Univers s'étend de plus en plus vite, son expansion s'accélère. La quantité d'énergie nécessaire pour provoquer cette accélération est colossale, cette énergie est appelée énergie noire. | Image : Cette lentille gravitationnelle montre d'étranges objets bleus étirés. Ces objets qui parsèment l’image, sont des vues multiples d’une seule et même galaxie annulaire. Si nous étions dans l'alignement parfait, les anneaux bleus formeraient un cercle complet autour de la lentille. La forme singulière de la galaxie bleue d’arrière plan (au centre), a permis aux astronomes de déduire qu’elle est reproduite sur cette image à 4 heures, 10 heures, 11 heures et 12 heures du centre de l’amas. Dans un amas de galaxies très massif, l'attraction gravitationnelle est si forte que l'Espace-temps est déformée par la matière noire et l'énergie noire. | ||
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. On peut analyser 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. | 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. 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. Cette image a nécessité 6 mois de calcul par des fermes d'ordinateurs. | |||
La matière noire reste secrète | ||||
La théorie du Big Bang permet de calculer le nombre de baryons de l'Univers (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 atomes. 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. | Plutôt que de chercher à expliquer les anomalies par une matière inobservable, il serait plus judicieux de revoir les lois physiques qui constituent le modèle standard, et qui sont de toute façon remises en question par d'autres problèmes encore plus fondamentaux. Certains physiciens se tournent par exemple vers la théorie des cordes. La théorie des cordes ajoute de 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, forte et faible, seraient confinées dans nos quatre dimensions et ne pourraient les quitter. En revanche, la gravitation pourrait se disperser dans les autres dimensions, et ainsi baisser en intensité par rapport aux autres forces. | Image : De plus en plus d'astrophysiciens considèrent que cette matière noire n'existe pas. |