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matière noire - astronomie.

Publié le 24/04/2013

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matière noire - astronomie. 1 PRÉSENTATION matière noire, forme de matière invisible, car n'émettant pas de rayonnement électromagnétique, mais dont l'existence dans l'Univers est suggérée par certaines observations et des considérations théoriques. On différencie généralement la matière sombre, qui serait de la matière ordinaire mais trop froide ou trop peu lumineuse pour être détectée, de la matière noire, qui serait constituée de particules électriquement neutres (différentes des protons et des électrons) n'engendrant pas d'interactions électromagnétiques (donc sans possibilité d'émettre ou d'absorber de la lumière). Les questions de son existence et de sa nature constituent les principales gageures de l'astrophysique et de la cosmologie modernes. 2 OBSERVATIONS La première indication de l'existence de matière noire repose sur l'analyse de la vitesse de rotation des galaxies. On peut mesurer par effet Doppler la vitesse de rotation des étoiles et des nuages de gaz autour du centre d'une galaxie proche. Cette vitesse est reliée à la quantité de matière contenue dans la galaxie. Les mesures indiquent systématiquement une vitesse de rotation supérieure à ce que donnerait la quantité de matière visible qui les compose. On estime ainsi qu'environ 90 p. 100 de la matière constituant une galaxie est invisible. Une deuxième indication est fournie par l'analyse des vitesses des galaxies groupées dans des amas. En admettant l'hypothèse vraisemblable qu'elles sont liées entre elles par l'attraction gravitationnelle, on peut relier leurs vitesses à la quantité de matière contenue dans l'amas. Là encore, la masse des galaxies visibles sous forme d'étoiles ne permet pas d'expliquer ces vitesses, et il faut admettre que plus de 90 p. 100 de la matière d'un amas est invisible. Cette estimation est confirmée par l'analyse des lentilles gravitationnelles, qui ont pour effet de déformer les galaxies situées à l'arrière-plan de l'amas -- l'effet, prédit par la relativité générale, étant directement lié à la masse (visible ou invisible) de l'amas. 3 CONSIDÉRATIONS COSMOLOGIQUES Des preuves plus indirectes sont reliées à la théorie de l'expansion de l'Univers ou théorie du big bang. Cette théorie, conséquence de la relativité générale, prévoit que la géométrie de l'Univers pourrait ne pas être euclidienne (ou plane), selon la densité de masse qu'il contient. Cependant, l'analyse des objets très lointains, et en particulier du rayonnement fossile à 3 K, permet de conclure que l'Univers est « presque « euclidien, ce qui signifie que sa densité moyenne doit être très proche d'une densité dite « critique «, calculable à partir de sa vitesse d'expansion. Cette particularité est d'ailleurs prédite par une classe de modèles, qui impliquent que l'Univers a traversé une phase d'expansion extrêmement rapide, appelée inflation, le conduisant à être quasiment euclidien. Cependant, la matière visible ne permet pas d'atteindre cette densité critique, car elle en représente moins de 1 p. 100. De plus, les calculs de l'abondance des noyaux les plus simples formés après le big bang (deutérium, hélium, lithium) semblent indiquer que la matière ordinaire ne peut pas constituer plus de 5 à 10 p. 100 environ de la masse totale de l'Univers. Ceci conduit à supposer l'existence de matière invisible, dont une petite partie pourrait être constituée de matière ordinaire sombre, mais dont la plus grande partie doit être constituée de formes encore inconnues de matière. Un autre problème théorique est celui de la formation des galaxies à partir des fluctuations de densité de l'Univers primordial. Ces fluctuations sont directement mesurables par l'observation très précise du rayonnement de fond du ciel, qui montre des variations infimes de température (de l'ordre de 1/100 000e de degré) d'un point du ciel à un autre. De récentes études tendent à montrer que la matière ordinaire n'aurait pas eu le temps de s'effondrer pour former les galaxies et les amas actuels à partir de fluctuations aussi faibles. De la matière noire, non soumise au rayonnement électromagnétique, pourrait en revanche expliquer la formation de ces structures à partir de fluctuations plus importantes mais non couplées au rayonnement fossile. 4 UNE NATURE ENCORE MYSTÉRIEUSE Les candidats à la matière noire sont nombreux, mais aucun n'est encore formellement identifié. De la matière ordinaire invisible pourrait être contenue dans des étoiles de très faibles masses (naines brunes), des nuages d'hydrogène froid, voire des trous noirs, mais ces objets ne semblent pas assez nombreux pour expliquer toute la matière noire nécessaire. Les autres candidats se divisent en deux catégories : celle des particules très légères, qui auraient une vitesse proche de celle de la lumière et qui produiraient de la matière noire « chaude « -- ou Hot Dark Matter (HDM) en anglais --, et la catégorie opposée des particules très massives (environ 100 000 fois plus lourdes que le proton), qui auraient alors une vitesse très faible, constituant de la matière noire « froide « -- ou Cold Dark Matter (CDM). Parmi les candidats HDM figurent les neutrinos, qui possèdent une masse trop faible pour constituer l'essentiel de la matière noire. De plus les modèles HDM ne reproduisent pas correctement la distribution des galaxies dans l'Univers. Les candidats CDM sont aussi appelés WIMPs pour Weakly Interactive Massive Particles (particules massives interagissant faiblement). Les modèles CDM semblent bien mieux expliquer la distribution des galaxies en grandes structures. Les théories modernes de physique des particules (théorie des champs unifiée, supercordes) prédisent en particulier l'existence d'un ensemble de particules exotiques dites « supersymétriques «, qui pourraient expliquer plusieurs propriétés des particules élémentaires, mais dont aucune n'a encore été détectée. La plus légère de ces particules, baptisée « neutralino «, pourrait être un bon candidat à la matière noire froide. La situation s'est compliquée récemment avec la découverte que l'expansion de l'Univers s'accélère au lieu de ralentir. Cette observation suggère que le vide lui-même contient de l'énergie, sous forme d'une « constante cosmologique « (d'abord introduite, puis retirée par Albert Einstein). D'après les mesures récentes, cette « énergie noire « pourrait constituer environ 70 p. 100 de l'énergie totale de l'Univers, la matière noire en constituerait 20 à 30 p. 100 et la matière ordinaire seulement 5 à 10 p. 100. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.

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