La matière noire est une matière très présente dans l'univers dont on ne sait toujours pas la nature.
La matière noire n’émet, n’absorbe ni ne réfléchit la lumière, et n’a encore jamais été détectée directement. Pourtant, les scientifiques sont convaincus de son existence en raison de son influence gravitationnelle. En effet, elle semble notamment contribuer à maintenir les galaxies ensemble, modifier la vitesse de rotation des étoiles et participer à la formation des grandes structures de l’Univers.
Pourquoi parle-t-on d’attraction de la matière noire ?
La matière noire est une mystérieuse substance invisible que l’on ne peut détecter que de manière indirecte, grâce à la force gravitationnelle qu’elle exerce.
L’observation de matière noire est impossible, car… elle est invisible, d’où son nom! Elle n’interagit pas avec la lumière et n’en émet pas, ce qui la rend difficile à étudier. Alors, comment sait-on qu’elle existe? Même si on ne peut pas l’observer directement, elle influence la façon dont la gravité se comporte autour d’elle, phénomène que l’on peut mesurer!
Il existe en effet une relation entre la masse et la luminosité d'une étoile et pour cette raison entre la masse et la luminosité d'une galaxie.
La masse des étoiles de matière comme celle du système solaire par attraction de gravitation est insuffisante pour que les étoiles extérieures restent dans la galaxie.
Les étoiles ont des vitesses excessives pour être maintenues par l'attraction de gravitation de Newton créée par cette masse des étoiles visibles.
De façon simple la force centrifuge en carré de la vitesse est égale à l'attraction de gravitation de Newton qui diminue comme le carré de la distance au centre ( le soleil ou la galaxie ) et donc la vitesse doit diminuer comme l'inverse de la distance au centre du système solaire ou de la galaxie.
Le désaccord est énorme et il faut une masse invisible en plus pour créer cette attraction en plus.
Donc la masse de matière noire invisible est nécessaire pour que les étoiles restent dans la galaxie sur des milliards d'années comme notre système solaire dans notre galaxie, la voie lactée dans le ciel.
Une hypothèse née des mouvements des galaxies
Pour Zwicky, il y avait probablement des masses cachées ne rayonnant pas dans les galaxies, de la matière noire donc qui, de plus, attire suffisamment les galaxies pour les garder dans les amas malgré leurs grandes vitesses.
Les premiers scientifiques à proposer l'existence d'une certaine « matière noire » furent Fritz Zwicky, puis Sinclair Smith, dans les années 1930. Au moment où ils ont proposé leur théorie, personne ne les a crus.
Ce n'est que bien plus tard que l'humanité a admis l'existence de la matière noire.
À partir des années 1970, et grâce notamment aux travaux de Vera Rubin, ce n'est plus le cas et on est également conduit à postuler l'existence d'un halo de matière noire autour des galaxies pour expliquer pourquoi les étoiles en bordure des galaxies spirales tournent plus vite qu'elles ne devraient.
Il va devenir clair ensuite que l'on ne peut pas expliquer l'existence actuelle des galaxies, et certaines caractéristiques du rayonnement fossile, sans postuler l'existence de masses de matière noire en quantité bien plus importantes que les masses formées des baryons de la matière normale, c'est-à-dire des protons et des neutrons des noyaux.
Les modèles astronomiques existants pour montrer comment les galaxies se forment et tournent suggèrent que la Voie Lactée est entourée par un halo de matière noire.
Ces modèles ne sont pas capables de prédire précisément la forme de ce halo, mais ils supposent la présence très importante de matière noire dans le voisinage du Soleil.
Quelle proportion de l’Univers représente-t-elle ?
Aujourd'hui, il est largement accepté que ce composant sombre constitue environ 80 % de la masse de l'Univers [1], bien que nous n'ayons toujours pas réussi à comprendre sa nature, qui reste de fait très obscure.
Selon les théories en vigueur, la matière noire est estimée constituer 83 % de la matière de l'Univers avec les 17 % restant sous forme de matière normale.
La matière noire est au moins 3 fois plus abondante dans l'univers que la matière ordinaire.
Ce n'est pas de la matière ordinaire, de très nombreuses expériences variées n'ont rien découvert, elle serait invisible, avec quasi aucune interaction avec notre matière, sauf par gravitation, et contribuerait pour environ un quart de la masse de l'Univers, environ 26% contre 5% pour la matière visible que nous connaissons dans notre vie et contre 68% pour l'énergie sombre ou noire, qui explique l'accélération de l'expansion de notre univers.
Vue ces valeurs, cela reste un mystère total 95% de la masse et de l'énergie de notre univers est inconnue, invisible.
| Composant | Proportion indiquée |
|---|---|
| Matière noire | environ 26% |
| Matière visible | environ 5% |
| Énergie sombre ou noire | environ 68% |
La matière noire dans le voisinage du Soleil
L’étude la plus précise jamais réalisée sur les mouvements des étoiles dans la Voie Lactée n’a trouvé aucune preuve de la présence de matière noire dans une zone relativement grande autour du Soleil.
Selon la théorie largement acceptée, le voisinage du Soleil était supposé être rempli de matière noire, une mystérieuse substance invisible que l’on ne peut détecter que de manière indirecte, grâce à la force gravitationnelle qu’elle exerce.
Une équipe d'astronomes utilisant le télescope MPG/ESO de 2,2 mètres à l'Observatoire de La Silla de l'ESO, ainsi que d'autres télescopes, a cartographié les mouvements de plus de 400 étoiles situées jusqu'à 13 000 années-lumière du Soleil.
En mesurant avec une très grande attention les mouvements de beaucoup d'étoiles, et plus particulièrement de celles qui se situent loin du plan de la Voie Lactée, l'équipe a pu aborder la question à l'envers pour déduire la quantité de matière présente.
« La quantité de masse que nous avons déduite correspond très bien à ce que nous voyons- les étoiles, la poussière et le gaz - dans la région autour du Soleil, » explique le responsable de l'équipe, Christian Moni Bidin (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chile).
« Mais cela ne laisse aucune place pour la matière supplémentaire - la matière noire- que nous pensions trouver. Nos calculs montrent qu'elle aurait dû clairement ressortir dans nos mesures. Mais elle n'est pas là !
Une observation qui remet en question les modèles
On peut donc supposer que les tentatives de détection de manière directe des particules de matière noire sur Terre risquent très probablement de n’apporter aucun résultat.
« Malgré les nouveaux résultats, la Voie Lactée doit certainement tourner beaucoup plus vite que ce que l'on peut expliquer avec la seule matière visible.
Aussi, si la matière noire n'est pas présente là où on l'attend, une nouvelle explication au problème de la masse manquante doit être trouvée.
Nos résultats contredisent les modèles en vigueur. Le mystère de la matière noire en devient juste encore plus mystérieux.
Une autre possibilité envisagée est que la loi d'attraction de Newton soit modifiée à des très grandes distances.
Mais il est difficile d'expliquer que la masse ou matière noire se déplace différemment des étoiles dans certaines galaxies ou collisions entre galaxies.
De plus cela ne permet pas d'expliquer les effets de lentille gravitationnelle forts.
La lentille gravitationnelle et la masse invisible
Une étoile qui se trouve derrière un objet de grande masse peut nous apparaître, même si elle est cachée par quelque chose.
Elle nous apparait à gauche ou à droite de la grande masse : c'est cela l'effet de lentille gravitationnelle des rayons lumineux déviés par la grande masse selon la Relativité générale.
Une galaxie peut être victime de cet effet.
Mais si la matière noire n'existe pas, qui est responsable de l'effet de lentille gravitationnelle des galaxies ?
Pour eux, ce sont les nuages de gaz qui s'occupent de cet effet lentille.
Les partisans de l'existence de la matière noire expliquent que les nuages de gaz ne sont pas assez massifs pour causer l'effet de lentille.
Si on était arrivé à mesurer la masse des nuages de gaz dans un amas de galaxies, on aurait pu démontrer qu'il n'était pas assez massifs.
Mais il est très difficile de mesurer les nuages de gaz, qui se confondent avec d'autres éléments de l'amas.
La solution, c'était l'amas de la Balle.
Il s'agit de deux amas qui sont rentrés en collisions.
Les nuages de gaz se sont séparé du reste des amas.
Des images de capteurs montrent que les régions où se trouvent le plus de matière se trouvent au niveau des galaxies, pas au niveau des nuages de gaz.
Quelles particules pourraient constituer la matière noire ?
Au cours des années 1970 et 1980, les physiciens des particules prédisent de leur côté l'existence de nouvelles particules issues d'une nouvelle physique, dont on réalise rapidement qu'elles peuvent expliquer la matière noire.
Il s'est rapidement développé aussi un zoo de théories possibles et une grande classe de particules considérées depuis ce moment-là, baptisées Weakly Interacting Massive Particles, ou Wimps.
Elles devraient être plus massives que les protons, mais n'exercer que des forces de gravitation, voire des forces nucléaires faibles et rien d'autre.
En fait, on peut considérer aussi des particules très faiblement chargées, capables d'émettre tout de même un peu de lumière ou des processus indirectes pour cela.
Trois sortes de particules sont actuellement soupçonnées de composer la matière noire: les neutralinos, les axions et les photinos.
Les neutralinos sont un type de gros neutrinos, soit des particules électriquement neutres et de très petite masse.
Les axions sont aussi des particules électriquement neutres, mais ils sont vraiment plus petits que les neutralinos - mille milliards de fois plus petits!
Par contre, les neutralinos, les axions et les photinos sont pour l'instant seulement des particules hypothétiques - on a donc peu d’information à leur sujet.
Leur existence est prédite par des modèles mathématiques, mais elle reste à être prouvée par des données concrètes.
La recherche d’un signal gamma
Il existe une sous-classe de théories des Wimps dans lesquelles les particules de matière noire peuvent se comporter comme des électrons et leurs antiparticules, les positrons.
En clair, si elles entrent en collision, elles se désintègrent en donnant des rayons gamma qui pourraient être détectés sous la forme d'une raie d'émission caractéristique avec une énergie E donnée bien précise, ou peu s'en faut.
La théorie de la matière noire tend à nous dire aussi que ces particules doivent se concentrer au cœur des halos de matière noire et donc vers le centre des galaxies.
La densité de matière étant alors plus forte, les chances de collisions le sont également.
En théorie, en observant avec un télescope gamma le cœur de la Voie lactée et des autres galaxies, on devrait pouvoir voir ces raies d'émission, ou quelque chose qui y ressemble, avec une intensité plus forte qu'ailleurs.
Le communiqué fait état d'une détection de la présence des mythiques et toujours élusives particules de matière noire sous la forme d'émissions gamma bien spécifiques, révélées par de nouvelles analyses des données collectées par le satellite Fermi de la Nasa en observant le bulbe de la Voie lactée.
Il déclare cependant : « Nous avons détecté des rayons gamma d'une énergie photonique de 20 gigaélectronvolts (soit 20 milliards d'électronvolts, une quantité d'énergie extrêmement importante) s'étendant sous forme de halo vers le centre de la Voie lactée.
La composante d'émission gamma correspond étroitement à la forme attendue d'un halo de matière noire.
Si cela s'avère exact, à ma connaissance, ce serait la première fois que l'humanité "voit" la matière noire.
Or, il s'avère que la matière noire est une nouvelle particule qui n'est pas prise en compte dans le modèle standard actuel de la physique des particules.
Cela représente une avancée majeure en astronomie et en physique ».
Le communiqué explique que « le spectre d'énergie observé, ou gamme d'intensités d'émission gamma, correspond à l'émission prédite par l'annihilation de Wimps hypothétiques, dont la masse est environ 500 fois supérieure à celle d'un proton.
Pourquoi cette détection reste discutée
Bien évidemment, le titre du communiqué a lancé un buzz, et aussi bien The Guardian et Forbes en parlent !
Toutefois, pour les lecteurs de Futura, cette histoire a un air de déjà-vu puisque, le mois dernier, nous avions parlé de travaux similaires, mais qui ne débouchaient sur aucune conclusion définitive, tout en rappelant que cette histoire de détection de rayon gamma posant des questions était ancienne.
La situation ne semble guère avoir changé, même si l'on peut considérer avec intérêt l'article aujourd'hui publié par l'astrophysicien japonais Tomonori Totani dans Journal of Cosmology and Astroparticle Physics et dont une version en accès libre existe depuis un moment déjà sur arXiv.
Difficile par conséquent de ne pas éprouver de la lassitude et du scepticisme devant l'annonce de l'Université de Tokyo.
On sait bien d'ailleurs que le centre de la Voie lactée est un endroit encore mal connu et où les observations sont difficiles et confuses, de sorte qu'il n'est pas clair que des phénomènes parfaitement conformes à la physique connue, mais pas encore envisagés, ne soient PAS derrière les observations et les analyses de Totani.
Toujours est-il que selon le communiqué de l'Université de Tokyo, le chercheur est convaincu à titre personnel qu'il a bien détecté la matière noire, tout en concédant qu'il faudrait encore d'autres observations, par exemple retrouver la même signature gamma au cœur des galaxies proches de la Voie lactée.
Les limites de la détection directe
Depuis plusieurs décennies, les chercheurs développent différentes méthodes pour tenter de percer le mystère de cette matière invisible, dont la nature exacte demeure inconnue.
On peut donc supposer que les tentatives de détection de manière directe des particules de matière noire sur Terre risquent très probablement de n’apporter aucun résultat.
De très nombreuses expériences variées n'ont rien découvert.
La matière noire est au moins 3 fois plus abondante dans l'univers que la matière ordinaire.
Un concept surtout développé dans les années 1970, la matière noire connaît un regain d’intérêt tant dans le milieu scientifique que dans la culture populaire.
On peut entre autres attribuer cette recrudescence à l’apparition de nouvelles technologies telles que le télescope spatial James Webb!
Plus fascinant encore, le télescope spatial James Webb aurait récemment détecté de potentielles « étoiles noires » dans l’espace.
Si un début d'explication commence à se dessiner au sujet de la matière noire, on en est encore loin dans le cas de l'énergie sombre!
Elle est encore plus étrange et difficile à comprendre, malgré le fait qu’elle constituerait entre 68% et 72% de tout l’univers.
Son existence a été suggérée après que le domaine de la recherche eut constaté que l’univers est en expansion de plus en plus rapide.
L’énergie sombre pourrait être une propriété inconnue du cosmos et de la gravité, mais elle pourrait aussi être composée de tachyons - des particules hypothétiques allant plus vite que la lumière.
Les instruments utilisés au Chili
Les observations ont été réalisées en utilisant le spectrographe FEROS sur le télescope MPG/ESO de 2,2 mètres, l'instrument Coralie sur le télescope suisse de 1,2 mètre Leonhard Euler Telescope, l'instrument MIKE sur le télescope Magellan II et le spectrographe Echelle sur le télescope Irénée du Pont.
Les deux premiers télescopes sont situés à l'Observatoire La Silla de l'ESO au Chili et les deux derniers télescopes sont situés à l'Observatoire Las Campanas également au Chili.
L'ESO conduit d'ambitieux programmes pour la conception, la construction et la gestion de puissants équipements pour l'astronomie au sol qui permettent aux astronomes de faire d'importantes découvertes scientifiques.
L'ESO joue également un rôle de leader dans la promotion et l'organisation de la coopération dans le domaine de la recherche en astronomie.
L'ESO gère trois sites d'observation uniques, de classe internationale, au Chili : La Silla, Paranal et Chajnantor.
À Paranal, l'ESO exploite le VLT « Very Large Telescope », l'observatoire astronomique observant dans le visible le plus avancé au monde et deux télescopes dédiés aux grands sondages.
VISTA fonctionne dans l'infrarouge.
C'est le plus grand télescope pour les grands sondages.
Et, le VLT Survey Telescope est le plus grand télescope conçu exclusivement pour sonder le ciel dans la lumière visible.
L'ESO est le partenaire européen d'ALMA, un télescope astronomique révolutionnaire.
ALMA est le plus grand projet astronomique en cours de réalisation.
L'ESO est actuellement en train de programmer la réalisation d'un télescope européen géant (E-ELT pour European Extremely Large Telescope) de la classe des 40 mètres qui observera dans le visible et le proche infrarouge.
D’où vient la cohésion de l’univers ? | 42 - La réponse à presque tout | ARTE
Le cadre scientifique de l’étude
Cette recherche est présentée dans un article intitulé, “Kinematical and chemical vertical structure of the Galactic thick disk II. A lack of dark matter in the solar neighborhood”, par Moni-Bidin et al.
L’équipe est composée de C. Moni Bidin (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chili), G. Carraro (European Southern Observatory, Santiago, Chili), R. A. Méndez (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chili) et R.
L'année 2012 marque le 50e anniversaire de la création de l'Observatoire Européen Austral (ESO).
L'ESO est la première organisation intergouvernementale pour l'astronomie en Europe et l'observatoire astronomique le plus productif au monde.
L'ESO est soutenu par 15 pays : l'Allemagne, l'Autriche, la Belgique, le Brésil, le Danemark, l'Espagne, la Finlande, la France, l'Italie, les Pays-Bas, le Portugal, la République Tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse.
L'article scientifique: ApJ preprint.
Photos du télescope MPG/ESO de 2,2-mètres.
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