Les mystères de la matière noire et de l'énergie noire

 Les mystères de la matière noire et de l'énergie noire

Amas de galaxies Abell 1689

En juin 2002, le télescope spatial Hubble a scruté le centre de l'amas de galaxies Abell 1689. La gravité des milliers de milliards d'étoiles de l'amas agit comme une lentille gravitationnelle qui déforme et amplifie la lumière des galaxies derrière lui. (Sources : NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), the ACS Science Team, ESA.)

Plus on explore l'Univers, plus on est frappés par toutes les découvertes qu'il reste encore à faire. Les scientifiques pensent maintenant que la matière « ordinaire » – celle dont sont constitués les êtres humains, les plantes, les objets de tous les jours, les planètes et même les étoiles – ne représente que 4 % environ de tout ce qui se trouve dans l'Univers. La matière noire et l'énergie noire forment les 96 % restants : elles n'interagissent pas avec la lumière et ne peuvent être détectées qu'en raison de leurs effets. Les propriétés de la matière noire et de l'énergie noire demeurent l'un des plus grands mystères de l'astronomie moderne.

La chasse à la matière noire

Image composite de l'amas de la Balle, résultat de la collision de deux amas de galaxies, à environ 3,4 milliards d'années-lumière de la Terre. Cette image est constituée de trois éléments : la lumière visible (étoiles et galaxies en blanc et orange) collectée par les télescopes Hubble et Magellan; les zones roses où l'observatoire de rayons X Chandra a détecté du gaz chaud, où se trouve la majorité de la matière « ordinaire » de l'amas; les zones bleues où les astronomes ont observé que l'amas était le plus massif. Le fait que les régions roses et bleues ne soient pas alignées semble indiquer que la majeure partie de la masse gravitationnelle ne se trouve pas dans les structures visibles ni dans le gaz chaud. En fait, la masse de cet amas de galaxies est en grande partie attribuable à de la matière noire invisible agglutinée ici et là qui n'interagit pas du tout avec la lumière. (Source : NASA/CXC/M. Markevitch et coll./STScI/Magellan/Université de l'Arizona/D. Clowe et coll./ESO WFI.)

Des astrophysiciens ont émis l'hypothèse que l'Univers contient une sorte de « matière noire », une forme de matière qui n'interagit pas avec le champ électromagnétique et qui n'absorbe, n'émet ou ne reflète aucune forme de lumière. Ils ont constaté que, dans les groupes et amas, les galaxies se déplaçaient beaucoup plus rapidement qu'ils l'avaient prédit. Ils en ont donc déduit que les amas, pour que leur gravité puisse maintenir les galaxies ensemble, devaient contenir plus de matière qu'on pouvait observer.

Dans les années 1960 et 1970, des astronomes comme Vera Rubin ont étudié le mouvement des étoiles et des gaz dans des galaxies spirales. Ils ont évalué la masse totale de ces galaxies. En comparant cette masse à la masse lumineuse (comme celle des étoiles et du gaz) des galaxies, ils ont réalisé que beaucoup de matière manquait! Leur travail a montré que les galaxies contiennent environ six fois plus de cette mystérieuse « matière noire » que de matière « ordinaire ». Les scientifiques pensent maintenant que la matière noire constitue environ le quart de toute la matière et l'énergie de l'Univers.

La galaxie spirale NGC 7331

En mesurant la vitesse des étoiles et des gaz en orbite autour du centre d'une galaxie spirale comme celle-ci, NGC 7331, les scientifiques peuvent déterminer la masse totale de ce qu'elle contient. (Sources : ESA/Hubble, NASA/D. Milisavljevic (Université Purdue).)

En appliquant les lois du mouvement et de la gravitation universelle de Newton au mouvement des étoiles et des gaz dans une galaxie, les astronomes peuvent mesurer la distribution de la masse dans cette galaxie. La masse mesurée dépasse souvent largement celle de la matière visible, ce qui indique la présence de matière noire.

Constituants possibles de la matière noire

L'expérience DEAP sur la matière noire

L'expérience DEAP sur la matière noire par la discrimination de la forme des impulsions dans l'argon se déroule dans le laboratoire SNOLAB près de Sudbury en Ontario, deux kilomètres sous terre. Une équipe internationale de chercheurs participent à l'expérience DEAP pour essayer de détecter des particules massives à faible interaction, constituants probables de la matière noire. (Source : The DEAP-3600 Collaboration.)

Les scientifiques ont avancé plusieurs explications pour la matière noire. Ils ont pensé aux trous noirs, puisque ceux-ci n'émettent pas de lumière, et aussi aux naines brunes et aux planètes géantes, peu brillantes. Selon ce qu'on sait de ces objets, il est improbable qu'il y en ait assez pour rendre compte de toute la matière noire présente dans l'Univers.

La plupart pense maintenant que la matière noire est probablement constituée de quelque chose de très petit. Les scientifiques privilégient une particule hypothétique ayant une masse, mais interagissant peu avec la matière. La force de gravité et la force nucléaire faible auraient un effet sur ces « particules massives à faible interaction », mais pas la force électromagnétique, ce qui signifie qu'elles n'émettraient, n'absorberaient et ne réfléchiraient pas de rayonnements électromagnétiques, ce qui correspond au comportement actuellement observé de la matière noire.

Pour approfondir leurs connaissances sur ces particules invisibles, des scientifiques du monde entier construisent d'immenses détecteurs remplis de matières qui, espèrent-ils, interagiront avec la matière noire. Ils veulent que ces instruments ne détectent que les particules de matière noire, alors ces expériences se déroulent souvent profondément sous terre, là où la croûte terrestre fait écran à toute interférence possible.

L'énergie noire : elle n'a pas son pareil

Quand on parle de matière noire, il est souvent question aussi d'énergie noire. Contrairement à la matière noire, qui semble avoir quelques caractéristiques communes avec la matière « ordinaire », l'énergie noire semble ne pas avoir son pareil dans le cosmos… et elle représente environ 70 % de tout ce qu'il y a dans l'Univers.

L'Univers est en expansion depuis le big bang. Les astronomes peuvent étudier cette expansion en mesurant la vitesse à laquelle les galaxies lointaines s'éloignent de nous. On peut parfois mesurer les distances croissantes entre des galaxies à partir de l'explosion de certaines supernovas. Les chercheurs ont découvert récemment que l'expansion de l'Univers est plus rapide que prévu! C'est peut-être à cause de l'énergie noire : il est possible que cette force inconnue hypothétique repousse les limites de l'Univers, comme si c'était une forme d'antigravité. L'énergie noire demeure un sujet de recherche important étant donné qu'on en sait encore très peu sur ses propriétés.

REF.: site miroir; https://www.asc-csa.gc.ca/fra/astronomie/au-dela-systeme-solaire/matiere-noire-et-energie-noire.asp

 

 

La vraie nature de la matière noire révélée par un anneau d'Einstein ?

 

La matière noire reste encore un ingrédient essentiel de notre description de la cosmologie, même si une alternative est crédible. On vient peut-être de préciser la nature des particules qui la composent grâce à l'effet de lentille gravitationnelle manifesté par un des anneaux d'Einstein connus.

Rossana Ruggeri est une cosmologiste travaillant sur l'énergie noire mais visiblement aussi intéressée par la problématique de la matière noire comme on peut s'en convaincre avec un article qu'elle a publié dans The Conversation et dont nous nous inspirons. La chercheuse en poste en Australie, plus précisément à l'Université du Queensland, y fait des commentaires sur une découverte surprenante réalisée par Alfred Amruth et ses collègues astrophysiciens. Le chercheur de l'Université de Hong Kong fait état des résultats des travaux qu'il a menés dans une publication du célèbre journal Nature Astronomy, publication dont une première version est en accès libre sur arXiv.

Il s'agit de la mise en évidence d'un curieux comportement de la matière noire qui semble se manifester quand on l'étudie avec l'effet de lentille gravitationnelle. Rappelons que la matière noire est recherchée pour expliquer plusieurs phénomènes, dont la naissance rapide des galaxies et certaines caractéristiques du rayonnement fossile, en postulant l'existence de nouvelles particules encore jamais vues dans des détecteurs et  qui dominent le monde des galaxies par leur gravitation. Elles se comportent comme si elles étaient des distributions de matière plus importantes que la matière des étoiles mais ne rayonnant pas ou quasiment pas.

Dans le vide, la lumière se déplace habituellement en ligne droite. Mais dans un espace déformé par un corps céleste massif, comme une galaxie, cette trajectoire est déviée ! Ainsi, une source lumineuse située en arrière d’une galaxie a une position apparente différente de sa position réelle : c’est le phénomène de mirage gravitationnel. Cette vidéo est originaire du webdocumentaire « L’Odyssée de la Lumière » et a été intégrée au webdocumentaire « Embarquez avec la Matière Noire ». © CEA, Animea

La matière noire, des Wimps ou des axions ?

L'effet de lentille gravitationnelle quant à lui avait été prédit en particulier par Einstein dans les années 1930, bien qu'il pensait qu'il serait à tout jamais trop faible pour être observable. Il permet de détecter des masses de matière non rayonnante et d'en mesurer la quantité du fait que cette matière dévie les rayons lumineux comme le ferait précisément une lentille.

Il se trouve qu'il existe en gros deux classes de théorie qui sont dominantes dans le vaste zoo des théories proposées pour rendre compte de l'existence des particules de matière noire (certains préfèrent modifier les lois de la gravitation dans le cadre de Mond). Pendant longtemps, c'est la classe des particules appelées des Wimps pour Weakly interacting massive particles, c'est-à-dire des particules massives interagissant faiblement avec les autres particules qui étaient favorisées. Mais depuis quelques années, ce sont des particules bien plus légères, que l'on appelle généralement des axions, qui sont de plus en plus considérées par les astrophysiciens des particules.

Il existe plusieurs stratégies pour départager ces deux classes de théorie et l'une d'elles fait intervenir justement des lentilles gravitationnelles pour détecter et caractériser les distributions de matière noire. On devrait pouvoir mettre en évidence des sortes d'effets d'interférence ondulatoires dans ces distributions si la matière noire est formée de certains types d'axions.

Chacun de ces instantanés du télescope spatial Hubble révèle quatre images déformées d'un quasar d'arrière-plan et de sa galaxie hôte entourant le noyau central d'une galaxie massive de premier plan. La gravité de la galaxie massive de premier plan agit comme une loupe en déformant la lumière du quasar dans un effet appelé lentille gravitationnelle. Les quasars sont des lampadaires cosmiques extrêmement éloignés produits par des trous noirs actifs. De telles images quadruples de quasars sont rares en raison de l'alignement presque exact nécessaire entre la galaxie de premier plan et le quasar d'arrière-plan. © Nasa, ESA, A. Nierenberg (JPL) et T. Treu (Ucla)

Ainsi, Amruth et ses collègues se sont appuyés dans ce but sur des effets de lentilles produisant des déformations d'images lumineuses en forme d'anneaux, les célèbres anneaux d’Einstein comme celui du « fer à cheval cosmique », le Cosmic Horseshoe, le surnom donné à un système à lentille gravitationnelle de deux galaxies dans la constellation du Lion.

L'un de ces anneaux, HS 0810+2554 que l'on peut voir sur les images de Hubble ci-dessus, s'est révélé particulièrement intéressant. Ils ont découvert que les caractéristiques de l'anneau se modélisaient très bien en supposant que la matière noire était faite d'axions et pas de Wimps. Mais il reste encore du travail pour confirmer cette hypothèse.

Pierre Brun est physicien des particules à l’Irfu et travaille à la frontière entre la physique des particules et la cosmologie. Il s’intéresse à une théorie qui postule l’existence d’une particule dénommée « axion », qui résoudrait certains problèmes liés à la violation de symétrie dans les lois de la physique de l’interaction forte. Neutre et léger, et interagissant très faiblement avec la matière, l'axion a toutes les caractéristiques pour être une particule de matière noire. © CEA Sciences

 

REF.:  https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-vraie-nature-matiere-noire-revelee-anneau-einstein-104949/