Dossier présenté par Mathieu dans l’épisode #31

Pourquoi parle-t-on de matière noire?

C’est en 1933 que l’astronome suisse Fritz Zwicky usa pour la première fois le terme “matière noire”, suite à des mesures qu’il a effectué pour déduire la masse dite « masse dynamique » d’un amas de galaxies, celle due à l’effet de gravitation, puis la comparer avec la masse dite « masse lumineuse », qui est la masse déduite de la quantité de lumière. Zwicky fut surpris de constater que les vitesses observées dans l’amas de galaxies de Coma étaient très élevées. La masse dynamique était 400 fois plus grande que la masse lumineuse. À l’époque, les méthodes et la précision des mesures n’étaient pas assez bonnes pour ne pas exclure des erreurs de mesure et son observation tomba dans l’oubli.

C’est plus tard, dans les années 1970, l’astronome américaine Vera Rubin étudia la rotation (ou pluôt la courbe de rotation) des galaxies en spirales.

Les étoiles des galaxies spirales ne sont pas statiques:

Elles ont un mouvement circulaire autour du centre de la galaxie.
La force centrifuge due à cette rotation compense la force de gravitation, c’est elle qui empêche les étoiles de s’effondrer vers le cœur des galaxies.

Une galaxie spirale semble, en première approximation, être similaire à un système solaire:

les étoiles tournent autour du bulbe central de la galaxie spirale comme les planètes tournent autour du Soleil.
La vitesse de rotation des étoiles est fixée par la masse du coeur de la galaxie et la distance qui les en sépare, comme la vitesse de rotation des planètes est fixée par la masse du Soleil et la distance qui les en sépare.

La courbe de rotation décrit la vitesse de rotation de la galaxie sur elle-même en fonction de la distance au centre. La vitesse maximale de rotation d’une galaxie spirale se trouve très proche du centre de la galaxie, puis la vitesse est censée décroître en s’éloignant du centre. Les étoiles se situant à la périphérie de la galaxie devraient tourner moins vite que celles plus près du centre. On devrait donc s’attendre à une décroissance de la vitesse au fur et à mesure que la distance au centre de la galaxie augmente comme on l’observe dans le système solaire pour les vitesses des planètes. La courbe de rotation devrait donc avoir tendance à redescendre plus on s’éloigne du centre de la galaxie.

Or, Vera Rubin observa que les étoiles situées à la périphérie de la galaxie d’Andromède — comme pour les autres galaxies spirales — semblent tourner trop vite. Leurs vitesses restent pratiquement constantes au fur et à mesure que l’on s’éloigne du centre de la galaxie, elles ne décroissent pas. L’analyse des vitesses dans les galaxies elliptiques fait apparaître le même problème que dans les galaxies spirales. Comment imaginer alors que les étoiles, principales composantes de matière dans les galaxies, tournent de manière non-képlerienne, c’est-à-dire ne suivent tout simplement plus les lois de la gravitation ? Une solution possible est que les galaxies contiennent une composante non détectée, dont l’attraction gravitationnelle est responsable de l’écart observé.

Une explication serait d’imaginer l’existence d’un gigantesque halo de matière non visible, donc de matière noire, entourant et englobant les galaxies. Un halo qui représenterait jusqu’à près de 90 % de la masse totale de la galaxie.

Ainsi toutes les étoiles se trouvent presque au centre de l’extension véritable de la « galaxie » (cette fois-ci composée de la galaxie visible et du halo de matière noire), et tournent donc normalement. Cela revient à dire que les étoiles, même celles à la périphérie visible de la galaxie, ne sont pas « assez loin » du centre véritable du halo de matière noire pour être dans la partie descendante de la courbe de rotation. Les mouvements de galaxies au sein des amas de galaxies ont révélé le même problème que l’étude des mouvements des étoiles dans les galaxies et suggèrent donc la présence de matière noire entre les galaxies. L’observation des amas de galaxies permet de montrer que la matière noire est distribuée de façon moins concentrée, plus étendue, que la matière ordinaire.

Des simulations informatiques indiquent que sur des petites échelles, la matière noire aurait tendance à former des grumeaux, avec des masses individuelles allant de celle de la Terre à celle d’une galaxie. La matière noire serait donc une sorte de pâte englobant les amas de galaxies, contenant une multitude de grumeaux de petite taille.

La matière baryonique et non-baryonique

La matière noire (ou matière sombre) désigne donc une catégorie de matière hypothétique jusqu’à présent non détectée, mais invoquée pour rendre compte des observations sur la vitesse de rotation des galaxies.
Des analyses indiquent clairement que l’Univers contient plus de matière que celle que l’on voit.
Certaines estimations de la densité de l’univers et l’estimation de sa densité sous forme d’atomes, donc sous forme de matière baryonique, impliquent plutôt une nature non-baryonique, et donc encore inconnue, de la matière noire.

La matière baryonique désigne toute la matière composée de particules élémentaires appelées baryons.
- En pratique, ce qu’on appelle matière baryonique correspond aux protons, et aux neutrons qui composent les atomes et les molécules et toutes les structures visibles dans l’univers observable.
- Protons et neutrons auxquels on adjoint implicitement les électrons (qui ne sont pas des baryons, mais des leptons).
Le terme de matière non-baryonique est fréquemment utilisé pour décrire toute forme de matière exotique autre que baryons, leptons et photon.
- La matière noire serait donc une forme de matière non-baryonique, dont on pense qu’elle est composée de particules élémentaires n’existant pas sur Terre et très difficiles à détecter expérimentalement.
- La matière non-baryonique n’est pas présente dans les étoiles, mais interviendrait dans la structure et la dynamique des galaxies et des amas de galaxies, sans toutefois émettre de rayonnement.

La matière noire serait donc une matière non-baryonique, non rayonnante qui n’intéragit pas avec les photons, et on ne la voit donc pas.
La théorie du Big Banget l’étude du rayonnement du fond cosmologique a donné des résultats intéressants:

L’Univers est plat, euclidien.
On a pu calculer le nombre de baryons de tout l’Univers, les astronomes en sont arrivés à un taux de matière baryonique d’environ 4 % de la densité critique de l’Univers.
Or, pour expliquer la géométrie plate de l’Univers, la matière totale de l’Univers doit représenter 27 % de la densité critique (les 73 % restants étant de l’énergie noire).
Il manque donc 23 % de la densité critique sous forme de matière non-baryonique; c’est-à-dire constituée par d’autres particules que les baryons.
La densité de l’Univers est ainsi plus grande que celle que l’on observe.

Peu de temps après le Big Bang, l’Univers, qui est composé de protons, de neutrons, d’électrons, de photons et autres particules, est à peu près homogène, c’est-à-dire uniforme en tout point, car sa température est trop élevée pour permettre aux particules qui forment les atomes de se regrouper.
Aujourd’hui, lorsque l’on observe la répartition des objets dans l’Univers, on remarque qu’ils ne sont pas distribués de manière uniforme: l’espace est occupé par des amas de galaxies et des objets stellaires répartis de façon inhomogène.

Comment a-t-on pu passer d’un Univers initial homogène à un Univers actuel inhomogène? On émet alors l’hypothèse que ce sont des fluctuations initiales de densité de la matière noire peu après le Big Bang qui seraient à l’origine de la formation des galaxies et des amas de galaxies, répartis de façon non uniforme dans l’Univers. Une étude approfondie montre que la matière noire, en proportion beaucoup plus élevée que la matière ordinaire est capable sous l’effet de sa propre gravitation de créer des agrégats de matière. Pour que ce scénario ait pu avoir lieu, il faut que la matière noire soit électriquement neutre, pour ne pas interagir avec les particules chargées de la matière ordinaire (baryonique), et permettre ainsi leur effondrement gravitationnel qui a mené à la création des objets astronomiques que l’on connaît. Cela nous comfirme que la matière noire devrait donc être constituée d’un nouveau type de particule non-baryonique (car tous les baryons connus sont chargés).

La nature de la matière noire

Différentes hypothèses ont été avancées pour expliquer la nature de la matière noire.

Les MACHO

Il n’est pas insensé s’imaginer qu’il existe dans l’Univers de la matière qui n’émet pas suffisamment de lumière pour être vue directement.
L’idée de matière noire baryonique est donc assez naturelle.
Les astronomes se sont alors intéressés à des objets stellaires compacts et n’émettant pas de lumière (ou trop peu pour être détectés), tels que les trous noirs, les naines brunes (astres très froids qui n’atteignent pas le stade d’étoile car ils ne sont pas assez massifs pour déclencher des réactions nucléaires en leur sein) ou les naines blanches (étoiles mortes composées d’éléments lourds), les étoiles à neutrons…
Ces objets stellaires sont appelés MACHO, pour Massive Astrophysical Compact Halo Objects (objets compacts massifs du halo).
Les MACHO’s sont considérés comme des objets massifs mais n’émettant pas de lumière.
Etant donné qu’ils n’émettent pas de lumière, c’est difficile de les détecter.
Mais aucun des ces objets stellaires n’est non plus parfaitement invisible, il devrait être possible de les observer.
Pour les détecter, on fait appel à l’effet de lentille gravitationnelle.
La théorie de la Relativité Générale d’Einstein nous dit que la masse des objets déforme l’espace-temps et que la lumière qui se déplace dans cet espace-temps courbé aura sa trajectoire déviée.
Un objet massif de type MACHO qui passerait devant un astre (par exemple devant une étoile ou une galaxie):
- modifierait la géométrie de l’Univers dans ses alentours à cause de sa masse élevée.
- dévierait les rayons lumineux émis par cet astre comme le fait une lentille.
C’est-à-dire les rayons lumineux envoyés par un astre éloigné vers un observateur sont déviés par la matière non observable située sur le trajet de ces rayons lumineux.
Le flux lumineux est aussi amplifié par le passage de cet objet sombre agissant comme une lentille, et ce d’un facteur qui peut atteindre plusieurs dizaines.
Ces objets astrophysiques MACHO jouent dans ce cas le rôle de déflecteur ou de lentille.
Il arrive que des rayons lumineux qui n’auraient pas dû atteindre l’oeil de l’observateur soient “courbés” de telle sorte qu’ils y parviendront quand même.
Les lentilles gravitationnelles reflètent la distortion gravitationnelle engendrée sur les objets visibles par ces objets MACHO sombres et très massifs.
On suppose donc la présence de la matière noire, par observation indirecte, c’est-à-dire par l’effet gravitationnel qu’elle a sur son entourage.
Le problème est cependant la rareté du phénomène:
- on surveille un certain nombre d’étoiles, et quand une d’entre elles devient soudainement plus brillante, on se penche sur son cas…
- le nombre de chances d’observer à un instant un effet de lentille gravitationnelle dû à une naine brune est de un sur un million.
En dépit de la difficulté, les observations effectuées sur l’effet graviationnel engendré par des objets astrophysiques de type MACHO ont été menées à terme et ont confirmé que la contribution des naines brunes, à la masse d’un halo de galaxie, reste faible (quelques pour cent) et est insuffisante pour rendre compte de la courbe de rotation plane des galaxies en spirales.

L’hylogénèse

La Cosmologie présente trois grandes énigmes:
- La plus profonde de toutes est celle de l’énergie noire.
- Ensuite vient la question de la nature de la matière noire.
- Enfin, la troisième énigme de la cosmologie, peut-être la plus ancienne, est celle du déficit d’antimatière.
On sait depuis la découverte théorique de l’antimatière par Paul Dirac que la création d’une particule de matière (comme un électron) doit s’accompagner d’une particule d’antimatière (un positron par exemple) selon la loi de conservation de la charge.
Les deux particules étant de charge égale en valeur absolue mais de signes opposés, le bilan total reste nul.
Toutefois, la théorie du Big Bang et les observations cosmologiques nous forcent à constater que la matière est la composante dominante de l’univers observable, il manque de l’antimatière.
L’hylogenèse est une nouvelle théorie qui tente d’établir un lien entre la matière noire et l’antimatière manquante.
Cette théorie explique à la fois la naissance de la matière baryonique du cosmos (protons et neutrons) et celle de la matière non-baryonique, la matière noire donc.
Elle tente de résoudre le problème de l’antimatière en proposant des particules de matière noire comme l’antimatière manquante.

Les neutrinos

Le neutrino lui-même est aussi candidat à constituer une partie de la matière noire.
Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules.
- Longtemps sa masse fut supposée nulle.
- Toutefois, des expériences réalisées en 1998 ont montré que celle-ci, bien que très petite, est différente de zéro.
- Le neutrino constitue de la matière non-baryonique.
Il faut savoir que le neutrino est insensible aux forces électromagnétiques et à la force nucléaire forte.
Le neutrino interagit donc très peu avec les autres particules, ce qui en fait un bon candidat pour la matière noire.
Le neutrino est aussi la particule la plus abondante dans l’univers, après le photon.
Cependant, des expériences ont révélé une masse beaucoup trop faible pour que cette particule puisse constituer l’essentiel de la matière noire.
Les neutrinos peuvent représenter, au mieux, 18 % de la masse totale de l’Univers.
On pense plutôt que la matière noire est constituée à 10% de matère noire chaude (neutrinos) et à 63% de matière noire froide (WIMP).

Les WIMP

Les WIMP (Weakly Interactive Massive Particles ou particules massives interagissant faiblement) forment une classe de particules lourdes, neutres, donc interagissant faiblement avec la matière (en conséquence quasi inobservables), et constituent d’excellents candidats à la matière noire non-baryonique.
Parmi cette classe de particules on trouve le neutralino, un particule postulée par une théorie qui s’inscrit comme une extension du modèle standard de la physique des particules, la théorie de supersymétrie.
- Dans cette théorie de supersymétrie, chaque particule se voit attribuer un super-partenaire, ayant des propriétés identiques (masse, charge), mais avec un spin différent de ¹⁄₂.
- Ainsi, le nombre de particules est doublé.
- Par exemple, le photon se retrouve accompagné d’un photino, le graviton d’un gravitino, le neutrino d’un sneutrino, l’électron d’un sélectron, etc…
- La supersymétrie est une symétrie supplémentaire à la symétrie particule-antiparticule de l’antimatière.
  - Il y a donc en plus de la particule et de son antiparticule, le partenaire supersymétrique de la particule et celui de l’antiparticule.
Mais les physiciens ont dû revoir l’idée d’une symétrie exacte.
- On a constaté que la symétrie peut-être brisée.
- Ce qui nous mène à rechercher une de ces superparticules, la plus légère de toutes, appelée LSP (Lightest Supersymmetric Particle).
- On considère généralement (ça dépend des modèles) que le neutralino est la LSP, cette particule supersymétrique la plus légère.
- Le neutralino serait le super-partenaires qui jouerait le rôle de particule constituant la matière noire.
- L’hypothèse du neutralino compte parmi les favoris des astrophysiciens.
Un point moins encourageant est que l’on est confronté ici à un certain paradoxe:
- pour qu’une particule soit abondante dans l’univers aujourd’hui, il faut qu’elle soit assez peu réactive.
- Comme c’est par leurs réactions qu’on détecte les particules, ça implique qu’elle sera plus difficile à détecter.
Mais la détection de matière sombre supersymétrique est tout de même actuellement un domaine de la physique extrêmement dynamique:
- En effet, ces nouvelles particules, si elles existent réellement, pourraient être piégées au centre des objets célestes massifs comme la Terre ou le Soleil.
- Il devrait y avoir une concentration de matière noire assez importante dans le Soleil et au cœur de la Terre, la matière noire ambiante aurait pu être caputrée dans leur champ de gravité.
- Si, au sein de ces astres, leur densité est suffisante, ces particules pourraient alors s’annihiler entre elles (l’anti-particule du neutralino est le neutralino lui-même), donnant naissance à d’autres particules énergétiques dont des neutrinos.
- Ces neutrinos, en provenance du centre de la Terre ou du Soleil, pourraient être détectés par un téléscope spécialisé baptisé ANTARES qui, placé au fond de la mer, regarde vers le centre de la Terre.
- Ce téléscope détecteur de neutrinos est situé dans la mer méditerranée proche des côtes de Toulon en France.
- Ces éventuelles détections sont cachées parmi les « parasites » créés par les interactions d’autres particules existantes avec les instruments (comme les rayons cosmiques, la radioactivité naturelle…).
- Il faut alors construire de gros instruments pour augmenter la chance d’avoir une détection, placer et blinder ces détecteurs de matière noire au sein de mines, de tunnels profonds, dans la mer ou enfouis sous Terre pour éviter des interférences.

Le détecteur AMS-02

Une équipe internationale de scientifiques a développé un téléscope spatial appelé AMS-02, acronyme de Alpha Magnetic Spectrometer ou Spectromètre Magnétique Alpha, qui aura entre autre pour objectif de rechercher, détecter et éxaminer la nature de la matière noire et la composition des rayons cosmiques.

Les scientifiques ont l’intention d’envoyer le prochain 29 avril ce spéctromètre à la station spatiale internationale à l’occasion de la prochaine mission de la navette Endeavour. Cet énorme détecteur devrait capter jusqu’à 7Gb de données par seconde qui seront envoyées à des stations terrestres pour leur analyse.

Problème de nature ontologique ou législative?

On a vu que les galaxies ne peuvent pas être cohérentes et avoir la dynamique gravitationnelle qu’elles ont si la matière présente (ontologique) est celle qu’on observe d’après les équations de la relativité générale (législatif):
- il existerait une matière qui n’émet pas de lumière, invisible ou noire, et qui déterminerait le mouvement gravitationnel des galaxies.
- la matière que prévoit la Relativité Générale ne suffit pas à expliquer cette dynamique.
Le problème de matière noire pose la question de la validité de nos théories physiques.
La cohérence des galaxies que l’on n’arrive pas à expliquer est-elle due réellement à de la matière que l’on on ne peut pas observer ou la cohérence des galaxie témoigne plutôt que les équations sont fausses?
Pour pouvoir émettre l’hypothèse de l’existence de la matière noire, il faut préalablement postuler que les lois de la physique qui gouvernent l’Univers sont vraies à tout instant et à toutes échelles.
Ces phénomènes inexplicables qui nous poussent à définir des notions comme la matière noire ne seraient-ils pas plutôt des indications que nos lois sont incorrectes?
Une approche radicalement différente pourrait consister à supposer qu’il n’y a pas de matière noire, que la matière noire est un faux problème, dû à notre mécompréhension des lois de la gravitation.
On est donc face à un problème dont on ne sait pas quelle est sa véritable nature (ontologique ou législative).

Cas de figure de la théorie MOND

Il a été proposé que les lois de la gravitation ne soient pas les lois newtoniennes, ni celles que fournit la relativité générale.
Un groupe de chercheurs s’est demandé quelle forme devrait avoir une force d’attraction gravitationnelle pour expliquer les mouvements internes des galaxies, sans faire appel à de la matière noire.
Ils ont proposé une théorie qu’ils appellent MOND, acronyme de MOdified Newtonian Dynamics.
Cette approche semble partir d’une idée intéressante, mais elle se heurte à plusieurs problèmes et on dit qu’elle souffre encore d’un certain manque de cohérence théorique.

Cas de figure de la radioactivité bêta

Découverte aux-alentours de 1930.
Un neutron devient un proton en émettant un électron.
Les lois nous disent que l’électron est toujours expulsé avec la même énergie.
Hors quand on a fait des mesures, on a trouvé que l’énergie de l’électron peut varier d’un cas à l’autre.
Les équations et le principe de conservation d’énergie seraient-ils donc faux?
Le physicien Wolfgang Pauli a postulé et affirmé que les équations restent valides si on emet l’hypothèse de l’existence d’une particule supplémentaire invisble appelée neutrino qui est émise lors de la désintégration beta et qui emmène l’énergie manquante à l’électron.
Le neutrino a effectivement été découvert dans les années 1950 et a confirmé la théorie de Pauli.
On voit alors que dans le cas de figure de la désintégration bêta, l’hypothèse de nature ontologique qui s’appuie sur la théorie (sans remettre en cause son unité législative) s’est avérée vraie.

En conclusion, on voit que différentes possibilités sont donc envisagées pour résoudre le problème de la matière noire. Celles-ci ne sont probablement pas exclusives : la solution est peut-être un mélange de plusieurs ingrédients.