Matière
noire
La matière
noire est de la matière apparemment indétectable optiquement, quelle que soit
la longueur d’onde utilisée.
Histoire
L’origine
de cette hypothèse remonte à 1933 lors de l’étude par Fritz Zwicky de l’amas
Coma. Son but était de comparer les masses des galaxies par deux moyens
différents : d’une part la masse « lumineuse » déduite de la quantité de
lumière émise par les galaxies, et d’autre part la masse « dynamique » déduite
de la mesure des vitesses, et en appliquant les équations de Newton. Il trouva
dans l’amas Coma une masse dynamique 400 fois plus élevée que la masse
lumineuse !
<<< Fritz Zwicky, astrophysicien
Américano-suisse Il est connu comme le plus grand découvreur de supernovae.
Comme
beaucoup d’incertitudes étaient à l’époque associées à ces mesures, les
collègues de Zwicky ne s’y intéressèrent pas, et la découverte resta dans
l’ombre. En 1936, Sinclair Smith trouva un résultat semblable avec l’étude de
l’amas de la Vierge. Il trouva un rapport de 200. Mais les astronomes avait
mieux à faire avec la nouvelle théorie de l’expansion de l’univers, et les deux
malheureux découvreurs furent oubliés.
Mise en
place de la théorie
Puisque la
masse dynamique est celle issue des effets de la gravitation, c’est la seule
valable, la vraie, la seule qui tienne compte de toute la matière composant la
galaxie. Ici, nous postulons que toute matière est soumise aux lois de la
gravitation universelle.
Calculer
la masse lumineuse revient à compter les étoiles. Ces dernières rayonnent, et
si l’on peut connaître leurs caractéristiques et leur nombre, la lumière qui en
est issue est un bon traceur de la masse de la galaxie.
Vera Rubin, est la première astronome a avoir découvert la matière noire dans les années 1970, qui a marqué le grand tournant dans l'histoire de la compréhension de notre Univers. en publiant son grand livre sur la matière noire en 1997 >>>
Selon les
galaxies, Rubin trouva que la masse dynamique est de 10 fois la masse visible
d’une galaxie.
En fait,
Vera Rubin constata que la courbe de rotation des galaxies ne correspond pas à
ce que l’on attend. En particulier, les étoiles de la périphérie de la galaxie
tournent trop vite. Elles devraient être éjectées… Or, l’observation montre le
contraire.
Une bonne
hypothèse est de considérer la présence d’un halo de matière invisible
entourant la galaxie et atteignant 90% de la masse totale réelle de la galaxie
!
Une
galaxie serait donc composée d’étoiles dans un disque central, et d’un halo
sphérique invisible qui augmente considérablement sa masse, mais aussi ses
dimensions. Ce halo serait dense au centre, allant en diminuant vers la
périphérie. Pour la Voie Lactée, sa taille est estimée entre 600 000 et 1 000
000 al (le Soleil est à 28 000 al du centre).
Les halos
de certaines galaxies proches, comme Andromède ou la Galaxie du triangle,
peuvent avoir des recoupements, des parties communes de cette matière noire.
Des études
récentes montrent que le même phénomène se produit dans les amas de galaxie.
Les amas seraient entourés de halos de matière noire. Si la masse dynamique des
galaxies est 10 fois supérieure à leur masse lumineuse, ce rapport passerait à
30 fois dans les amas de galaxies.
Une autre
étude, menée par Yannick Mellier, débutée en 1996 et terminée en 2000 a
consisté à réaliser une ébauche de carte de matière noire à très grande
échelle, sur tout l’univers observable. La méthode est statistique, et les
mesures d’origine sont réalisées sur une surface du ciel comparable à celle de
la Lune. Dans cette simulation, la matière noire se présente sous forme de
longs filaments qui s’entrecroisent, donnant le même type de structure que la
matière visible.
Une autre
étude plus précise, sur une surface du ciel 20 fois plus grande, devrait dans
un avenir proche donner des résultats plus précis, avec une carte de matière
noire plus détaillée.
L’observation montre à l’heure actuelle que l’univers est
plat ou proche d’être plat. Qu’il n’a pas ou très peu de courbure. Pour arriver
à ce résultat, il faut que la masse de l’univers soit égale à une « masse
critique » calculée théoriquement avec les équations de la relativité d’Einstein.
La masse
dynamique de l’univers représenterait selon cette étude un tiers de cette masse
critique. Le reste étant composé d’énergie sombre.
Vue d'ensemble de la
distribution de matière noire dans une tranche d'Univers d'un milliard
d'années-lumière de côté. elle se présente sous forme de longs filaments qui s’entrecroisent, donnant le même type de structure que la matière visible.@google.
Nature de
la matière noire
Deux
grandes théories qui s’affrontent sur la nature de la matière noire reposent
sur la masse et la vitesse des particules les composant.
- Dans le
cas de particules légères et dont la vitesse est proche de celle de la lumière,
on parle de matière noire chaude (voir les neutrinos).
- Dans le
cas de particules plus lourdes, et par conséquent plus lentes, on parle de matière
noire froide (voir les MACHO et WIMP).
Là
intervient la grande question de qui a été formé en premier, les galaxies ou les étoiles ?
Dans le
cas d’un univers dominé par de la matière noire chaude, la vitesse des
particule empêche la formation de petites structures. Les amas de galaxies se
forment d’abord, en se fractionnant ensuite.
Dans le
cas d’une domination de la matière noire froide, c’est le contraire, les
particules vont pouvoir s’agglomérer sur des (relativement) petites distances
en créant d’abord les étoiles, puis les galaxies, et enfin les amas et super
amas de galaxies.
L’étude
des stabilités comparées des galaxies et des amas de galaxies semble montrer
que présence de la matière noire froide devrait être majoritaire (les galaxies
sont plus stables que les amas de galaxies).
Nuages de
gaz, MACHOS
La
première idée qui vient est de s’intéresser aux objets non détectables car
lointains comme les nuages de gaz et de poussières et les MACHO (MAssive
Compact Halo Objects) comprenant les naines blanches, les naines brunes et les
trous noirs (astres morts !!!!).
Les nuages
sont composés majoritairement d’hydrogène, élément trop léger pour combler la
différence entre masse dynamique et masse lumineuse. La masse lumineuse est au
mieux multipliée par deux, laissant encore un facteur 5 inconnu.
Quant aux
MACHO, il en faudrait 10 fois plus que d’étoiles vivantes pour expliquer la
matière noire. De plus, en observant les galaxies lointaines, donc plus jeunes,
on devrait voir ces astres encore vivants, et donc les galaxies plus
brillantes, ce qui n’est pas le cas. Les proportions de supernovas devraient
également être plus importantes que ce qui est observé.
Les naines
brunes sont trop peu lumineuses pour être détectées dans les autres galaxies
que la nôtre. Un moyen indirect est de s’appuyer sur les effets de lentille
gravitationnelles (effet grossissant lorsqu’une naine brune passe exactement
dans la ligne de visée d’un objet plus lointain). Ici encore, les effets de
lentille détectés par les études sont beaucoup trop peu nombreux.
Les trous
noirs sont aussi trop peu nombreux pour espérer expliquer cette matière noire.
Il faudrait par exemple un million de trous noirs supermassifs comme celui du
centre de la voie Lactée pour combler le manque de matière de notre Galaxie.
Nous n’observons pas ceci, ni les phénomènes associés comme la perturbation des
étoiles passant à proximité.
Les
neutrinos
Le
neutrino est une particule élémentaire qui interagit extrêmement peu avec les
autres particules, en particulier la matière ordinaire (neutrons, protons,
électrons).
On estime
que sa masse est très faible, mais comme c’est la particule la plus abondante
de l’univers après le photon, il était un bon candidat pour la matière noir. Au mieux,
les neutrinos représentent 18% de la matière totale de l’univers.
Les WIMP
Weakly
Interactive Massive Particles. Ce sont
des particules qui, comme le neutrino interagissent très peu avec ses
congénères, mais ont une masse importante.
L’hypothèse
des WIMP pour la matière noire est à l’étude. Elle fait intervenir des théories
en pointe de la physique des particules comme la supersymétrie. (Nous
attendrons que ces théories soient à notre portée intellectuelle pour en
parler…).
Et des
particules inconnues
Reste la
possibilité de la présence dans l’univers de particules inconnues qui
pourraient expliquer le manque de matière. C’est une voie explorée, mais qui
reste très spéculative, on s’en doute…
Et si la
matière noire n’existait pas ?
C’est
l’avis de certains d’astrophysiciens. Ils pensent que, plutôt que de chercher
de la matière inobservable, hypothétique, il serait plus judicieux de revoir
certaines lois de la physique.
Selon
l’astronome israélien Mordehai Milgrom, sa théorie nommée MOND (Modified
Newtonian Dynamics) modifierait les équations de Newton établissant les lois de
la gravitation. Celles-ci seraient valables sur des distances relativement
faibles, mais fausses à plus grande échelle, lorsque l’accélération devient
très faible (de même que les lois de Newton ne sont justes qu’à des vitesses
faibles et devant des masses faibles).
L’intensité
de la force de gravitation décroîtrait moins vite qu’on ne le pense avec la
distance. Elle serait donc plus importante aux grandes distances et rendrait la
présence de matière noire inutile.
Mathématiquement,
la force de gravitation serait, pour les faibles accélérations (<10-10 m/s2),
une loi en 1/r et non une loi en 1/r2 comme c’est le cas avec la loi de newton
classique.
Pour la
petite histoire, la limite entre les deux lois serait une constante
fondamentale de la nature, et Milgrom a été surpris de constater que sa valeur
approchait cH.
La théorie
des cordes n’est pas en reste et propose également sa solution à l’énigme de la
matière noire. En effet, selon cette théorie, la matière noire et l’énergie
sombre seraient présents dans les dimensions cachées. Elles ne seraient
affectées que par la gravité.
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