La
nature de la matière noire baryonique
Confrontés au
défi majeur que leur pose la matière noire, les
astrophysiciens ont entrepris de découvrir sa nature physique. Deux types de
possibilités se sont alors présentées : celles qui font appel à des astres
constitués de matière ordinaire, par exemple des corps peu lumineux, et
celles qui reposent sur l’introduction de particules non ordinaires qualifiées
d’exotiques. Analysons ici les candidats possibles formés de matière ordinaire,
ou baryonique, c’est-à-dire de neutrons et de protons.
Les naines rouges
L’une des
solutions les plus simples est de recourir aux étoiles les moins brillantes
: les naines rouges. Ces étoiles font partie de la séquence principale mais se distinguent
par leur faible masse, entre huit et 80 pour cent de celle du Soleil. Pour
cette raison, leur surface est relativement froide, à peine quelques milliers
de degrés, et leur luminosité très faible,
entre un dix-millième et quelques dixièmes de celle du Soleil. Ces étoiles
passent ainsi inaperçues si elles se trouvent au-delà de notre voisinage
immédiat.
C’est en étudiant
les naines rouges les plus proches que les astronomes se rendirent compte que
ces étoiles peu brillantes sont très nombreuses. Ainsi, dans le voisinage du
Soleil, une étoile sur deux est une naine rouge, même si très peu d’entre elles
figurent parmi les milliers d’étoiles visibles à l’oeil nu. Les astronomes sont
donc tout naturellement amenés à penser que les galaxies pouvaient être
dominées en nombre par ces étoiles quasi-invisibles. Leur présence augmenterait
la masse totale d’une galaxie sans véritablement affecter sa luminosité
globale.
Les naines brunes
Une autre
solution consiste à faire appel à des astres encore moins massifs : les naines
brunes. On désigne par ce terme les étoiles dont la masse est inférieure
à huit pour cent de celle du Soleil. A cause de cette masse trop faible,
le noyau de ces étoiles n’est pas suffisamment comprimé et chaud pour que les réactions nucléaires de
fusion puissent se mettre en place. Les naines brunes sont donc des étoiles
ratées qui n’émettent pas de lumière et sont pratiquement impossibles à
observer, même dans le voisinage immédiat du Soleil. Ces propriétés en font des
candidates parfaites pour la matière noire.
Remarquons que la
masse minimale des naines brunes est de plusieurs fois la masse de Jupiter. Ce
qui différencie ces étoiles des planètes géantes est leur mode de formation.
Comme toutes les étoiles, les naines brunes se forment lors de l’effondrement d’un nuage de gaz, alors que
les planètes se forment par accumulation de grains de poussière.
Les planètes
Une autre
explication possible de la matière noire baryonique est la présence dans
les galaxies d’une grande quantité de planètes, en particulier de planètes
massives comme Jupiter. Cependant, des corps de cette nature ne peuvent pas
fournir une très grande proportion de la matière noire. En effet, les planètes
contiennent des éléments plus lourds que l’hydrogène ou l’hélium. Or ces
éléments sont rares dans l’Univers, ils ne représentent qu’un seul noyau pour
cent noyaux d’hydrogène, comme toutes les observations le confirment.
Les résidus
d’étoiles
Enfin, on peut
faire appel aux trois types de résidus stellaires : naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir. La contribution des deux derniers types est
limitée par l’observation. En effet, étoiles à neutrons et trous noirs
apparaissent lors de l’explosion d’une supernova qui donne naissance à une grande
quantité d’éléments lourds. Comme ces derniers sont rares, le nombre
d’explosions ayant eu lieu, donc le nombre de résidus stellaires de ce
type, doit être relativement faible.
Lesquels de ces
candidats contribuent réellement à la masse noire baryonique ? La réponse
est évidemment dans les observations.
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