Spécial MagSat:À la recherche de la matière sombre

[harroudiroi]

Aussi hallucinant que cela puisse paraître, tout ce que l’on voit dans l’Univers ne représente que 5 % de son contenu. Le reste ne serait que matière sombre et énergie sombre, dont l’existence n’a été déduite que par des observations indirectes. La nature de la matière noire constitue l’un des plus grands mystères de la physique moderne, que les scientifiques espèrent néanmoins résoudre dans les prochaines années.


La matière visible, dont nous sommes constitués, est en quantité dérisoire dans l’Univers, lequel est composé avant tout d’énergie sombre, laquelle compte pour 68 % de son contenu, et de matière sombre qui en forme 27 %. On sait bien peu de chose de l’énergie sombre, qu’on appelle aussi énergie noire, si ce n’est qu’elle est de nature répulsive et qu’elle est responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers.

C’est l’astrophysicien Fritz Zwicky qui, en 1933, a suggéré l’existence d’une matière invisible qui n’émet pas de lumière, après avoir observé la vitesse de rotation des galaxies spirales. Il nomme cette mystérieuse matière « dunkel materie », qui veut dire matière sombre. « Compte tenu de leur faible contenu en matière visible qui émet de la lumière, les galaxies spirales tournent à une vitesse telle qu’elles devraient s’effilocher, se disperser sous l’effet de la force centrifuge. On en a donc conclu que ces galaxies renfermaient beaucoup plus de matière que ce que l’on pouvait voir », explique Pauline Gagnon, physicienne à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) en Suisse.

En 1970, l’astronome américaine Vera Rubin a remarqué que la vitesse de rotation de toutes les étoiles des galaxies spirales était uniforme et stable, et ne semblait pas dépendre de leur distance du centre de la galaxie, comme le prévoit la loi de Kepler selon laquelle plus une planète est éloignée du centre du système solaire, par exemple, moins sa vitesse de rotation est grande. « Les étoiles des galaxies spirales se comportaient comme si elles ne tournaient pas autour d’un seul point central mais de plusieurs centres, comme s’il y avait de la matière qui était dispersée partout dans la galaxie spirale. Cette observation a permis à Rubin de calculer de façon plus précise la quantité de matière sombre dans l’Univers », souligne Mme Gagnon, qui était invitée cette semaine à donner une conférence au Coeur des sciences de l’UQAM.

Une autre preuve de l’existence de la matière noire nous est fournie par le rayonnement fossile, ou fond diffus cosmologique, dont on a obtenu la première carte en 1992 à l’aide du satellite Cosmic Background Explorer (COBE), puis dans les années 2000 grâce à la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), qui nous en a donné une image beaucoup plus précise. Le rayonnement fossile est en fait une image de l’Univers tel qu’il était 380 000 ans après le Big Bang, au moment où les atomes commençaient à se former et où l’Univers devenait transparent, permettant ainsi à la lumière de se propager librement. Il s’agit de la plus vieille photo de l’Univers dont nous disposons aujourd’hui.

« À partir de cette image, on comprend que, sans matière sombre, il aurait été impossible d’arriver à un Univers tel qu’il est aujourd’hui. Sans elle, cela aurait pris beaucoup plus de temps. La matière sombre a joué un rôle de catalyseur dans la formation des étoiles et des galaxies. Parce qu’elle ne réagit pas à la force électromagnétique, la matière sombre a pu s’agglutiner plus rapidement que la matière visible sous l’effet de la gravité. Et elle a ainsi servi de germe à la formation des galaxies », précise la physicienne québécoise.

Lancé en 2009, le satellite européen Planck nous a transmis en 2012 une carte de 20 à 30 fois plus précise que les précédentes de la structure du fond diffus cosmologique. « Cette image nous montre que déjà il y avait des grumeaux, des accumulations de matière en des points précis de l’Univers. Et en mesurant la taille des grumeaux et les variations de leur température sur cette photo vieille de 13,4 milliards d’années, on arrive à déterminer combien il y a de matière sombre et d’énergie sombre dans l’Univers. C’est donc à partir de ces données qu’on a pu affirmer que l’Univers se compose de 68 % d’énergie sombre et de 27 % de matière sombre. Car l’Univers comprend aujourd’hui la même quantité de matière que 380 000 ans après le Big Bang, celle-ci a seulement pris de l’expansion », fait remarquer la scientifique.

Le télescope Hubble nous a également permis de voir en certains endroits de l’Univers des arcs de lumière qui résultent de concentrations de matière sombre qui, en créant un fort champ gravitationnel, font courber la lumière.

Chasse à la matière noire

Les scientifiques essaient depuis plusieurs années de mettre la main sur la matière sombre. « Puisque la matière ordinaire est composée de grains de matière, comme les quarks et les leptons, on suppose que la matière sombre est, elle aussi, composée de particules fondamentales. On essaie donc de trouver des moyens de capter ces particules de matière sombre », fait savoir Mme Gagnon.

Certaines expériences visent à les piéger. « On espère qu’une particule de matière sombre viendra frapper le noyau d’un atome de notre détecteur, le mouvement de recul du proton engendrerait alors une petite vibration dans l’atome qu’on détectera », explique la physicienne. Une vingtaine d’expériences de ce genre sont en cours actuellement dans le fond de mines ou de tunnels routiers sous de grandes montagnes afin d’isoler le détecteur des rayons cosmiques.

Certaines de ces expériences semblent en avoir détecté et d’autres ont laissé les chercheurs bredouilles. Plusieurs expériences ont tenté de corroborer les résultats positifs et n’ont pas réussi. « Nous pataugeons encore dans le noir, mais nous devrions avoir beaucoup de réponses d’ici trois à cinq ans », commente Mme Gagnon.

Par ailleurs, le spectromètre magnétique Alpha (AMS) à bord de la Station spatiale internationale a fourni au début de 2013 des résultats indiquant avec une précision inégalée la présence d’un excès de positrons - l’antimatière des électrons - dans le flux des rayons cosmiques. Or, selon les théories de la supersymétrie, cet excès de positrons pourrait résulter de l’annihilation de particules de matière sombre : une hypothèse très alléchante, mais qui pourrait être infirmée par le fait qu’on aurait mal estimé les autres sources astronomiques de positrons, comme les pulsars. Les physiciens attendent avec impatience les prochains résultats d’AMS qui devraient être publiés sous peu.

Plusieurs expériences menées au Grand Collisionneur de hadrons (LHC) du CERN visent aussi à découvrir des particules de matière sombre. « On cherche dans toutes les directions », affirme Pauline Gagnon, qui a elle-même participé à une expérience visant à vérifier si les bosons de Higgs se désintégraient en matière sombre. « La recherche de particules supersymétriques est ce qui préoccupe le plus les physiciens et les physiciennes du LHC. La théorie de la supersymétrie qui a été proposée pour résoudre des problèmes spécifiques du modèle standard prévoit l’existence de nombreuses nouvelles particules et certaines seraient des candidates idéales pour être des particules de matière sombre », explique la chercheuse, tout en soulignant que 20 % des chercheurs du CERN sont des femmes.

On cherche notamment des particules massives à interaction faible (WIMP), surnommées mauviettes, qui interagissent par le truchement de la force nucléaire électrofaible. Mais dans un article publié dans le dernier numéro de Science, on rappelle que des décennies de recherche n’ont pas fourni de preuves de l’existence des WIMP. C’est pourquoi certains laboratoires se tournent maintenant vers les axions, des particules hypothétiques qui auraient des propriétés complètement différentes des WIMP et qui sont prédites par des modèles tout à fait distincts.

Le LHC est actuellement en phase de consolidation afin d’atteindre de plus hautes énergies en 2015, « ce qui permettra probablement de produire des particules plus lourdes et aussi une plus grande quantité de particules. On augmentera ainsi nos chances de trouver des particules de matière sombre de deux façons », souligne la physicienne.






Photo : Agence France-Presse
Carte du rayonnement fossile captée par le satellite européen Planck en 2012 et qui montre l’Univers tel qu’il était 380 000 ans après le Big Bang.

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Matière sombre

a matière sombre (dark matter en anglais) est une mystérieuse composante matérielle probablement constituée de particules élémentaires mais en aucun cas de matière normale, c'est-à-dire de protons, neutrons et électrons, et que l’on suppose répartie dans tout l’univers observable. Sans charge électrique et n’interagissant que très faiblement avec la matière normale, elle se signale par son attraction gravitationnelle.On lui donne plus généralement en français le nom de matière noire ou encore de masse manquante. Il ne faut surtout pas la confondre à l’antimatière dont on sait que la curieuse absence au niveau cosmologique, alors qu’elle devrait être aussi abondante que les particules de matière normale, constitue une énigme toujours irrésolue.La question de l'existence de la matière noire

On a de nombreuses preuves concordantes de la présence de la matière noire, que ce soit au niveau des galaxies, des amas de galaxies mais également en ce qui concerne la naissance des galaxies via le rayonnement fossile. Ces preuves sont toutefois indirectes. On aimerait pouvoir fabriquer ces particules non baryoniques en accélérateur, les détecter avec des expériences comme Coupp etPicasso ou encore dans l’espace avec AMS.

Quatre-vingt seize pour cent du contenu de l'univers est de nature inconnue. Les mystérieuses matière noire et énergie noire en sont-elles les composantes ? Ou bien est-ce une erreur dans l'équation d'Einstein ? Des questions auxquelles le futur satellite Euclid de l'Esa répondra. Réalisateur : Pierre-François Didek (Karamoja Productions). Directeur de collection : Vincent Minier (Laboratoire AIM Paris-Saclay). © AstrophysiqueTV-Dailymotion


Mais il se pourrait que l’on fasse fausse route et que l’on doive revoir la loi de la gravitation à l’échelle des galaxies et des amas de galaxies. Diverses théories ont été proposées, en particulier celle connue sous le nom de Mond et ses avatars relativistes. Si le modèle de la matière noire froide (Cold Dark Matter ou CDM en anglais) semble solide et le plus favorisé par l’expérience, il n’est pas exempt de défauts et certains désaccords entre ses prédictions et la réalité sont connus. Il se pourrait donc bien que les deux théories soient nécessaires pour rendre compte des observations. On ne peut totalement écarter l’hypothèse qu’il faille vraiment se passer de la matière noire et considérer uniquement des théories comme Mond.Une toute petite partie de la matière noire est à coup sûr composée de neutrinos. Pour le reste, si elle existe bien, on a proposé des minitrous noirs, des particules supersymétriques, l'axion et assez souvent ce qu'on appelle des Wimps

Les observations des courbes de révolution des étoiles autour du centre de leur galaxie montrent qu'elles tournent trop vite si l'on se base sur la loi de la gravitation de Newton ou sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. Le plus probable est qu'il y ait de la matière cachée non lumineuse, de la matière noire


Une des énigmes de la matière noire est peut-être résolue

Les modèles de matière noire sur ordinateur prédisent généralement qu’elle doit se concentrer dans les noyaux des galaxies. Pour tester cette hypothèse, on se servait des mesures des vitesses de la matière dans les galaxies naines. Or, depuis environ 20 ans, théorie et observation ne s’accordent pas. Voilà qui vient peut-être de changer, avec un modèle de la matière noire froide un peu plus étayé
D’après le modèle de la matière noire froide, les galaxies naines contiendraient une masse sous forme de nouvelles particules inconnues mille fois plus importante que la matière visible sous forme d’étoiles et de nuages d’hydrogène (dans le cas de la Voie lactée, ce rapport est de dix environ). Les galaxies naines de la Voie lactée, comme celle du Fourneau (à l’image), sont donc de bons laboratoires pour tester la théorie de la matière noire. Jusqu’à présent, les observations et la théorie étaient en contradiction concernant la répartition de la matière noire dans ces galaxies. Ce problème vient peut-être de trouver un début de solution
Les résultats de Planck ont solidement conforté le modèle de matière noire froide. Celui-ci reste pour le moment indispensable pour comprendre les caractéristiques du rayonnement fossile et la naissance des grandes structures composées d’amas de galaxies dans l’univers. Mais à l'échelle desgalaxies, en particulier des naines, c’est une tout autre affaire.Par exemple, les galaxies naines d’Andromède continuent de défier le modèle de la matière noirefroide parce qu'elles sont rassemblées en un disque, au lieu d’être réparties dans un halo sphérique. Il y a aussi, connu depuis une vingtaine d’années, le fameux « problème de la concentration dans le cœur ». D’après le modèle de la matière noire froide – ou plutôt plusieurs des modèles les plus crédibles basés sur des particules de matière noire bien particulières –, sa concentration dans les galaxies naines ne devrait pas être uniforme.

Des déterminations de densité de matière noire problématiques

Selon les théoriciens et les simulations faites sur des superordinateurs, comme celles de la Dark Energy Universe Simulation (DEUS) Full Universe, la matière noire devrait être plus abondante dans le cœur des galaxies naines, et même dans celui d’autres galaxies comme la Voie lactée. Or, selon les mesures des astronomes, il n’en est rien. Différentes explications ont été proposées. On peut par exemple supposer que les particules de matière noire interagissent fortement entre elles ; ou simplement préférer modifier la loi de la gravitation en utilisant Mond, c'est-à-dire se passer de particules de matière noire.

Une vue du superordinateur Lonestar. On a peut-être résolu grâce à lui une des énigmes de la matière noire. © Université du Texas

Deux astronomes de l’université du Texas à Austin pensent qu’ils ont peut-être résolu le problème. Ils viennent de publier sur arxiv un article qui propose une tout autre solution et dans le cadre dumodèle cosmologique standard. Ils se sont basés sur des observations concernant les galaxies naines de la Voie lactée comme celle de la Carène, du Fourneau et du Dragon, mais aussi sur des simulations numériques avec le supercalculateur Lonestar du Texas Advanced Computing Center (TACC).Ils ont cherché à contourner un écueil rencontré lors de toutes les tentatives de mesure de la quantité et de la distribution de matière noire dans les galaxies naines. D’ordinaire, on considère un modèle basé sur certaines hypothèses physiques avec des paramètres libres. On ajuste ensuite ces paramètres avec les observations. Les deux chercheurs ont utilisé Lonestar pour reconstruire directement, à partir des mesures des vitesses de la matière normale dans les galaxies naines choisies, la distribution de matière noire. Ils espéraient de cette façon éliminer certains biais possibles dans les précédentes tentatives de détermination de la répartition de la matière noire dans les galaxies.

Une matière noire répartie différemment selon les galaxies

Les deux astrophysiciens ont alors découvert que la répartition de la matière noire était, en fait, différente selon les galaxies. Dans certains cas elle était uniforme, dans d’autres elle possédait un pic central prononcé dans le cœur de la galaxie naine, alors que dans certains satellites de la Voie lactée une distribution intermédiaire était mesurée. En faisant la moyenne de ces distributions, on constate finalement qu’il y a bien une concentration de matière noire dans les cœurs des galaxies naines. Le modèle de la matière noire froide est donc correct, pourvu que l’on considère des moyennes et pas des cas individuels.On peut donc dire que le problème de la concentration dans le cœur est résolu, mais il laisse encore des questions en suspens. Il faudra peut-être affiner les modèles de matière noire ou, plus probablement, tenir compte, lors de la formation et de l’évolution des galaxies naines, des interactions entre distribution de matière noire et de matière normale.