Matière noire

Qu'est-ce que la matière noire ?

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...
Dans plusieurs types d'objets astronomiques (étoiles, galaxies), les mouvements gravitationnels observés sont différents de ceux auxquels on s'attend en théorie. Quand on essaie de déduire les mouvements de l'action gravitationnelle, des masses qu'on observe : tout se passe comme si une densité de masse invisible était présente. Personne n'ose, pour l'instant, remettre en question les lois de la gravitation, alors de quoi est faite cette matière théorique ?
Cette matière noire existe-t-elle vraiment ?

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.
La cosmologie nous indique que la composition de l'univers serait composé de : 73 % d'énergie noire et 23 % de matière non baryonique et 4 % de 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.
La matière lumineuse, la seule que nous voyons directement, semble représenter à peine 5 % de la masse de l'univers.
La matière noire ou matière sombre ou encore masse manquante, désigne la matière qui n'émet pas de lumière au sens électromagnétique, cela va des ondes radio aux rayons gamma. Cette lumière est notre seule source d'informations.
Toutefois, les astronomes s'accordent sur le fait qu'entre 90% et 96% de la matière de l'univers n'émet pas de lumière.
Pourtant le système solaire nous montre que l'essentiel de la masse se trouve dans le Soleil (99%), les planètes non lumineuses ne représentent que 1% de la masse. D'autre part, l'étude de la lumière reçue des étoiles indique qu'il existe, de la poussière qui absorbe une partie de la lumière visible, la réémettant dans l'infrarouge, et de l'hydrogène neutre, qui rayonne en ondes radio ou de l'hydrogène ionisé, qui émet dans l'ultraviolet et les rayons X.
Mais cette matière, est bien lumineuse puisqu'on la voit, de plus sa répartition n'est pas différente de celle qui est présente dans les étoiles comme le Soleil. Alors pourquoi, dans un certain nombre d'objets astronomiques, les mouvements observés sont différents de ceux auxquels on s'attend en théorie ?

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 ?
Au début du 19ème siècle la dernière planète connue est Uranus, le mouvement calculé pour Uranus ne correspond pas à celui qui est observé.
En 1845, les astronomes Adams et Le Verrier ont la même idée pour résoudre cette énigme. Ils imaginent que la perturbation est due à une nouvelle planète située au-delà d'Uranus et calculent la position que celle-ci devrait occuper. Un télescope est alors pointé vers la position prédite et en 1846 la nouvelle planète est découverte, il s'agit de Neptune.
Il en est de même, concernant l'observation des amas galactiques qui montrent qu'ils contiennent aussi une grande quantité de masse, sous une autre forme, qu'on appelle matière noire.
En effet l'observation approfondie des amas montre qu'ils contiennent aussi une grande quantité de gaz.
Toutes les mesures s'accordent pour conclure que la masse totale de l'amas est plus grande que celle des galaxies et du gaz réunis.
Il semble donc que ces objets contiennent une grande quantité de masse sous une autre forme, « invisible ».

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).
Différentes hypothèses ont été émises sur la composition de cette hypothétique matière noire : gaz moléculaire, étoiles mortes, naines brunes en grand nombre, trous noirs, etc... Cependant, le manque d'observation directe impliqueraient plutôt une nature non baryonique, encore inconnue. La cosmologie nous indique que la composition de l'univers serait composé de : 73 % d'énergie noire, de 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 (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.
Dans le cas de matière noire dite « chaude », les particules ont des vitesses proches de celle de la lumière, tandis que celles composant une matière noire dite « froide » seraient plus massives et donc plus lentes. La vitesse de déplacement de ces particules intervient dans l'ordre de formation des grandes structures de l'Univers. Si l'Univers était dominé par de la matière noire chaude, la très grande vitesse des particules, la constituant, empêcherait dans un premier temps la formation d'une structure plus petite que le superamas de galaxies qui ensuite se fragmente en amas de galaxies, puis en galaxies, etc...
C'est le scénario dit « du haut vers le bas », puisque les plus grosses structures se forment d'abord, pour ensuite se diviser. Le meilleur candidat pour constituer la matière noire chaude est le neutrino Le neutrino est la particule imaginée pour la première fois en 1930 par Wolfgang Pauli, avant même la découverte du neutron qui fut détectée en 1956 par Frederick Reines et Clyde Cowan. Cette particule, insensible aux forces électromagnétiques et à la force nucléaire forte est émise lors d'une désintégration bêta, accompagnée d'un électron. Le neutrino interagit donc très peu avec les autres particules, ce qui en fait un bon candidat pour la matière noire. La masse du neutrino était estimée très faible, voire nulle. Le neutrino est la particule la plus abondante dans l'univers, après le photon. . En revanche, si la matière noire froide dominait l'Univers, les particules vont parcourir une distance plus petite et donc effacer les fluctuations de densité sur des étendues plus petites que dans le cas de matière noire chaude. 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 ».

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.
Actuellement, c'est le modèle de matière noire froide qui semble l'emporter. En effet, les galaxies sont en équilibre dynamique, ce qui laisse penser qu'elles se sont créées avant les amas à qui il faut plus de temps pour atteindre cet équilibre.
Cependant, les théories introduisent aujourd'hui un peu de matière noire chaude. Celle-ci est nécessaire pour expliquer la formation des amas ; la matière froide seule ne pouvant la permettre, en si peu de temps.

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.
Pourtant de plus en plus d'astrophysiciens considèrent que cette matière noire n'existe pas et plutôt que de chercher à expliquer les anomalies par une matière inobservée voire inobservable, il serait selon eux 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. Il serait alors possible de résoudre plusieurs problèmes en même temps sans émettre des hypothèses nouvelles.

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.
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.
Comme toujours en astrophysique, il y a finalement plus de questions que de réponses.
Si on peut se faire facilement une idée de cette matière noire, cela ne lève pas le mystère.
Cette nouvelle composante de notre Univers, sera certainement détectée par d'autres moyens dans un futur proche. Si on ne parvient pas à expliquer un grand nombre d'observations astrophysiques, c'est parce que tout ceci met à l'épreuve les théories actuelles incomplètes. Peut-être sommes-nous sur une mauvaise voie et le monde scientifique attend un regard neuf sur l'Univers manquant non baryonique, c'est-à-dire non atomique.

Image : Les dimensions des particules.