Énigme de la masse manquante

La matière noire non baryonique

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.
Comme il n'y a pas de matière supplémentaire, les deux scientifiques pour les besoins d'une simulation, en inventent une, la matière noire. L'idée n'est pas nouvelle car dans les années 1930, Fritz Zwicky, astrophysicien américano-suisse (1898-1974) constate une anomalie.

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.
En 1933 il est le premier à suggérer la présence d'une matière « invisible » entre les galaxies, mais il ne convaincra personne de l'importance de sa découverte, qui sera oubliée pendant près de quarante ans.
Une astronome, Vera Rubin, en plus de ses 4 enfants, se consacre dans les années 1970, à l'étude des galaxies. Elle fait alors une découverte fondamentale.
On sait que tout est lié à la gravité, dans le système solaire plus on s'éloigne du soleil plus sa force gravitationnelle faiblit. Il en est de même pour les galaxies où les étoiles qui tournent autour d'un champ gravitationnel intense.
Or Vera Rubin constate que les étoiles ne ralentissent pas au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre, leurs vitesses restent constantes, du centre jusqu'à la périphérie. La conclusion, c'est qu'il manque de la masse dans l'univers observable pour assurer sa stabilité. La matière noire, jusqu'à lors ignorée, devient à la mode dans le monde scientifique.

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.
Crédit: Équipe scientifique WMAP, NASA

La masse manquante

Qu'est-ce qui constitue la matière noire ?
En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable. Différentes hypothèses ont été émises et explorées sur la composition de cette hypothétique matière noire, qui n'émet aucun rayonnement, gaz moléculaire, étoiles mortes, naines brunes en grand nombre, trous noirs, etc. Les scientifiques cartographient l'univers, en mesurant la quantité d'hydrogène sur une grande échelle, ils constatent que même où il n'y a pas d'étoile, aux confins des galaxies, le gaz tourne en orbite aussi vite que les étoiles proches du centre.
Même l'hydrogène subit cette force mystérieuse.
Les courbes de rotation impliquent la présence d'une force de 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. .
Les scientifiques attendent donc, depuis plusieurs décennies, au fond d'une mine de 1600 mètres, que la particule hypothétique, le neutralino, se dévoile.
Comment des particules non baryoniques vont se concrétiser sur les écrans des machines baryoniques ?Cela semble bizarre mais il y a du budget à dépenser. Mordehai Milgrom de l'institut Weizmann en Israël, avance que la présence de la matière noire n'est pas nécessaire et que la gravité est plus forte à certains endroits. En 1981 il rend publique sa théorie, la gravité variable, un concept extravagant qui contredit Newton. Les scientifiques ont ignoré ce concept. On a déjà modifié la théorie de la gravitation pour les distances atomiques, il est possible qu'une jour on la modifie pour les grandes distances galactiques.

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.
Aujourd'hui, la cosmologie nous indique que la composition de l'univers serait composée de 73 % d'énergie noire, de 23 % de matière non baryonique et 4 % de matière baryonique. Ceci est le résultat hypothétique du modèle standard simulé par informatique. C'est une illusion que de montrer ce qui se passe en s'appuyant sur des simulations informatiques. Générer des galaxies avec des ordinateurs est une aberration, compte tenu du nombre de paramètres inconnus à régler, tout se passe comme si ces scientifiques voulaient jouer au « créateur ».
Néanmoins, un des problèmes majeurs de l'astrophysique moderne est que nous ignorons la nature de l'essentiel de l'univers.
La matière lumineuse, la seule que nous voyons directement, semble représenter moins du dixième de la masse de l'univers. Cette lumière est notre seule source d'informations. Toujours est-il que la structure de l'univers est maintenue par des entités dont on ne sait pas si elles existent. Un jour viendra où il faudra revoir les fondement de la constitution du Cosmos.

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.
La cosmologie nous indique que la composition de l'univers serait composé de 73 % d'énergie noire et de 27 % de matière (23 % de matière non baryonique et 4 % de matière baryonique).
L'étude des amas de galaxies indique que 90 % de leur masse est invisible et l'étude des galaxies indique, que la grande majorité de leur masse est invisible.
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.

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.
Malgré tout, de plus en plus d'astrophysiciens considèrent que cette matière noire n'existe pas.

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.
On voit bien qu'il est difficile de donner une vision finie et cohérente de la matière noire, car le sujet est toujours en pleine effervescence. 

Image : De plus en plus d'astrophysiciens considèrent que cette matière noire n'existe pas.