Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?

Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?

La matière noire et l’énergie noire sont deux hypothèses pour expliquer deux phénomènes incompris : la dynamique des galaxies et l’accélération de l’expansion de l’Univers...

La matière, telle qu’on la connaît, ne suffit pas à expliquer la dynamique de l’Univers

Université de tous les savoirs

Laurent Vigroux

La cosmologie moderne

« La Matière

L’Univers n’est pas constitué que de rayonnement, il est aussi matériel. Les étoiles, les galaxies, ont été découvertes il y a longtemps. Mais cela ne fait pas le compte. Dès 1935, l’astronome Zwicky, en utilisant le télescope du mont Palomar, avait montré qu’il devait y avoir une quantité de matière importante qui n’avait pas encore été découverte. Il était arrivé à cette conclusion en mesurant les vitesses des galaxies dans les amas de galaxies. Depuis Newton, on sait qu’il existe une relation entre l’accélération des corps et la masse gravitationnelle. Si on augmentait la masse du Soleil, la Terre tournerait plus vite autour de lui. Inversement, si on connaît la distance de la Terre au Soleil et la vitesse de rotation de la Terre, on peut en déduire la masse du Soleil. Il en est de même avec les galaxies dans un amas. La mesure de la vitesse des galaxies dans un amas permet de calculer la masse de l’amas. Comme on connaît la masse des galaxies, de par leur luminosité, il est facile de comparer les deux estimations. Problème : la masse estimée par la dynamique est dix fois plus grande que celle identifiée dans les galaxies. On a trouvé par la suite que les galaxies tournaient également trop vite pour leur masse identifiée dans les étoiles. Il existe donc une composante de matière cachée, qui représente presque 90% de la masse de l’Univers. Bien que les étoiles et les galaxies soient des objets brillants et remarquables, elles ne représentent qu’une infime partie de l’Univers. Qu’est-ce que cette masse cachée ? »

Selon la loi de Hubble (décalage des longueurs d’ondes vers le rouge), la vitesse d’éloignement d’une galaxie est proportionnelle à sa distance.
Jusqu’à ces dernières années, on pensait que l’attraction gravitationnelle (dont nous constatons les effets à chaque instant) finirait par annuler l’expansion de l’Univers ; or, en voulant justement mesurer la vitesse de décélération de l’expansion (l’étude leur a pris 10 ans à partir de 1988), l’équipe de Saul Perlmutter est arrivée à la conclusion inverse : après avoir étudié 42 supernovae de type SN qui ont la particularité d’avoir un éclat identique et dont on peut ainsi mesurer la distance avec précision (les étoiles les plus massives, arrivées en fin de vie, explosent en libérant autant d’énergie lumineuse qu’un milliard d’étoiles, ces supernovae n’apparaissent, dans chaque galaxie, que 2 ou 3 fois par siècle) , ils ont eu la surprise de constater que les étoiles les plus lointaines étaient encore plus pâles et donc plus lointaines que ne le laisserait prévoir une expansion constante.

La matière noire, ce mystérieux composant auquel les astrophysiciens recouraient pour expliquer au moins les quatre cinquièmes de la masse de l’Univers, n’existe peut-être pas : c’est la bombe lâchée par un physiciens du Cern dans la revue Astrophysics and Space Science d’août. Les effets gravitationnels attribués à la matière noire (ou “matière sombre” ; “dark matter”, en anglais) seraient uniquement dus aux interactions des particules de matière et d’antimatière.

Le concept de matière noire est né en 1933. Il explique pourquoi les galaxies tournent plus vite que leur masse apparente ne l’implique selon la relativité générale. La force gravitationnelle engendrée par cette matière noire –que personne n’a jamais observée, par définition– permettrait aussi aux galaxies de rester homogènes au lieu de voir les objets qui les composent s’éparpiller dans l’espace.

Le physicien Dragan Hajdukovic, de l’Organisation européeenne pour la recherche nucléaire (Cern) soumet une autre explication. Celle-ci repose sur la “polarisation gravitationnelle du vide quantique”. Le vide quantique correspond à une zone de l’Univers censément vide de matière. Ou plutôt, où ne nous discernons rien. Car pour la physique quantique, même ce vide se trouve rempli de particules virtuelles et de particules d’antimatière.

Quand des particules et des antiparticules entrent en collision, elles s’annihilent en dégageant de l’énergie. Et donnent naissance dans le vide quantique à des particules virtuelles. Ces dernières disparaissent aussitôt qu’apparues. Si vite que nous ne pouvons pas les détecter.

Dragan Hajdukovic a étudié ce qui se passerait si les particules de matière et d’antimatière qui se rencontrent, en plus d’être chargées électriquement de façon opposée, étaient aussi opposées sur le plan gravitationnel. Et ce, à l’encontre de la théorie communément admise, selon laquelle toutes les particules ont la même charge gravitationnelle.

Dans le scénario de Hajdukovic, au lieu de s’attirer, la matière et l’antimatière se repousseraient sur le plan gravitationnel. Ici se situe une autre subtilité : cette “répulsion gravitationnelle” serait tout de même moins forte que l’attraction générée par la charge électrique. Bien qu’opposées sur le plan gravitationnel, la matière et l’antimatière pourraient donc tout de même entre en collision.

Mais qu’est-ce que la “polarisation gravitationnelle” dont parle le physicien ? On sait que des particules ayant des charges électriques différentes peuvent s’associer en dipôles, susceptibles d’être chargés positivement à un bout et négativement à l’autre. Ces dipôles sont orientés dans n’importe quel sens… sauf s’ils se créent en présence d’un champ magnétique. Ils adoptent alors tous la même direction que ce champ. C’est ce qu’on appelle la polarisation. Cette polarisation des dipôles génère à son tour un nouveau champ électrique, qui se combine avec le premier — et le renforce.

Si l’on admet que des particules peuvent avoir des charges gravitationnelles opposées, pourquoi ne pas imaginer ce même phénomène de polarisation avec la gravité ? Des dipôles gravitationnels se formeraient ainsi dans l’espace. Ceux qui naîtraient à proximité d’un champ gravitationnel —par exemple, celui généré par une galaxie— viendraient “s’aligner” sur ce champ. Et le renforcer. Le champ gravitationnel de la galaxie deviendrait ainsi plus important que ce qu’on pourrait supposer en l’observant au télescope.

Bien entendu, cette théorie demande confirmation. Surtout que de nombreuses observations semblaient appuyer l’existence de la matière noire. Ainsi, une photo publiée fin 2010 par la Nasa mettait censément en évidence les effets de la matière noire dans l’amas de galaxies Abell 1689.

La physique contemporaine n’a pas donné la réponse à toutes les questions qu’elle posait. En effet, si elle a permis d’étudier de nombreux phénomènes, les lois qu’elle a mis en évidence ne se rejoignent pas dans les domaines où elles sont censées agir conjojntement ou concurremment. Essentiellement (mais pas seulement), la physique quantique ne rejoint pas la physique relativiste.

D’autre part, des questions restent pendantes :

– d’où viennent les masses ?

– pourquoi y a-t-il de la matière et pas autant d’antimatière ?

– comment se sont formées les étoiles

– comment se sont formées les galaxies

– pourquoi l’expansion des galaxies s’accélère

– qu’est-ce que l’espace, le temps par rapport aux masses

– comment la discontinuité peut-elle se marier avec la hérarchie des univers et les sauts

Ces questions n’ayant pas reçu de réponse complète dans aucun des modèles proposé, la physique rajoute à ses modèles des rajouts ad hoc comme le boson de Higgs, la matière noire, l’énergie noire ou encore la constante cosmologique. Malgré ses rajouts, et même si certains d’entre eux se révélaient vérifiés par l’observation (ce qui n’est la cas d’aucun d’entre eux pour le moment), il faudrait encore une théroie qui permette de calculer les masses, de confirmer les dates et les modes de formation de la matière, de la lumière, des étoiles, des galaxies et l’accélération de l’expansion. Ce n’est nullement le cas dans les modèles mathématiques actuels.

Ils ont tous l’inconvénient d’utiliser une mathématique des nombres et une géométrie continus.

Ils ont tous également l’inconvénient d’utiliser une logique non dialectique.

Voyons comment le physicien Lee Smolin expose ces problèmes dans "Rien ne va plus en physique".

« Ces dernières années, les astronomes ont réalisé une expérience très simple, au cours de laquelle ils ont mesuré la distribution des masses dans une galaxie de deux façons différentes et ont comparé les résultats. Premièrement, les astronomes ont mesuré la masse en observant les viteses orbitales des étoiles ; deuxièmement, ils ont fait une mesure plus directe de la masse en comptant les étoiles, le gaz et la poussière qu’ils voyaient dans la galaxie. (…) Les deux méthodes devraient s’accorder l’une à l’autre. Or, elles ne sont pas d’accord. Les astronomes ont comparé les deux méthodes de mesure de la masse pour plus de cent galaxies différentes. Dans presque tous les cas, les deux mesures divergent, et la différence entre les valeurs est loin d’être petite, mais plutôt de l’ordre d’un facteur dix. De plus, l’erreur va toujours dans le même sens : on a toujours besoin de plus de masse pour expliquer le mouvement observé des étoiles que ce que l’on calcule par comptage direct des étoiles, du gaz et des poussières. (…) S’il existe une matière que nous ne voyons pas, elle doit se trouver dans un état et sous une forme nouvelle, qui n’émet, ni ne reflète la lumière. Et, puisque la divergence des résultats est aussi grande, la majorité de la matière au sein des galaxies doit exister sous cette nouvelle forme. (…) (…) Dans chacune des galaxies où l’on a rencontré le problème, celui-ci affecte seulement les étoiles dont le mouvement s’effectue au-delà d’une certaine orbite. A l’intérieur de cette orbite, il n’y a pas de problème : l’accélération est ce qu’elle devrait être si elle était produite par la matière visible seule. Par conséquent, il semble qu’il existe une région à l’intérieur de la galaxie où les lois de Newton sont validées et où il n’y a pas besoin de matière noire. Au-delà de cette région, les choses se compliquent. (…) Lorsqu’on s’éloigne du centre de la galaxie, l’accélération décroît, et un taux critique se révèle, qui marque la fin d’applicabilité des lois de la gravitation de Newton. Lorsque l’accélération des étoiles dépasse la valeur critique, la loi de Newton marche, et l’accélération qu’elle prédit est observée. Dans ce cas, il n’existe aucun besoin de postuler l’existence de la matière noire. Mais lorsque l’accélération observée est plus petite que la valeur critique, elle ne s’accorde plus avec la prédiction de la loi newtonienne. Cette accélération spéciale est proche de c²/R, c’est-à-dire de la valeur de l’accélération produite par la constante cosmologique ! (…) L’échelle c²/R caractérise le lieu où, pour les galaxies, la loi de Newton ne s’applique plus. Les astronomes l’appellent « loi de Milgrom » du nom du physicien Mordehaï Milgrom qui l’a découverte au milieu des années 1980. (…) L’échelle R est une échelle de tout l’univers observable, qui est infiniment plus grand que n’importe que n’importe quelle galaxie individuelle. C’est à cette échelle cosmologique qu’advient l’accélération c²/R ; comme nous l’avons vu, il s’agit du taux auquel s’accélère l’expansion de l’univers. Il n’existe aucune raison pour que cette échelle joue un rôle quelconque dans la dynamique d’une galaxie individuelle. Pourtant, ce fait empirique nous a été imposé par les données. (…) L’échelle c²/R pourrait caractériser la physique des particules de la matière noire. Si cela est vrai, alors il existe un lien entre la matière noire et la constante cosmologique. La matière noire et l’énergie noire sont toujours des phénomènes distincts, mais apparentés. L’autre possibilité est qu’il n’y a pas de matière noire et que la loi newtonienne de la gravitation cesse de s’appliquer là où les accélérations deviennent aussi petites que la valeur particulière c²/R. (...)

Puis les choses sont devenues encore plus mystérieuses. Récemment, on a découvert que selon des observations à des échelles encore plus grandes, qui correspondent à des milliards d’années-lumière, les équations de la relativité générale ne sont pas satisfaites même en rajoutant la matière noire. L’expansion de l’univers, démarrée avec le Big Bang il y a quelque 13,7 milliards d’années, s’accélère, tandis que si l’on tient compte de toute la matière observée, plus la quantité calculée de la matière noire, l’expansion de l’univers devrait au contraire ralentir. (…) Peut-être, comme pour le problème précédent, quand on a atteint cette échelle, les lois de la relativité génrale ne sont simplement plus applicables. Une autre possibilité serait l’existence d’encore une nouvelle forme de matière – ou d’énergie selon la loi d’Einstein qui montre l’équivalence entre masse et énergie). Cette nouvelle forme d’énergie entrait en jeu seulement à des échelles très grandes, c’est-à-dire qu’elle n’affecterait que l’expansion de l’Univers. (…) Cette étrange nouvelle énergie que l’on envisage pour que les chiffres correspondent aux données s’appelle « énergie noire ». La majorité des types de matière se trouvent sous pression, mais l’énergie noire exerce une tension – c’est-à-dire qu’elle retient et ramène les choses ensemble, au lieu de les écarter. C’est pour cette raison que la tension est parfois dite de « pression négative ». (…) Les observations récentes nous révèlent un univers qui, en grande partie, est constitué d’inconnu. 70% de la matière est sous forme d’énergie noire, 26% sous forme de matière noire et seulement 4% sous forme de matière ordinaire. En conséquence, moins d’un vingtième de la matière est observée expérimentalement… »

Lee Smolin expliquait dans le même ouvrage :

"La constante cosmologique est caractérisée par une échelle, l’échelle de la distance à laquelle elle courbe l’univers. Appelons cette échelle R. Sa valeur est d’environ 10 milliards d’années-lumière, ou dix puissance 27 centimètres. Ce qui est bizarre concernant la constante cosmologique, c’est que son échelle est énorme comparée aux autres échelles en physique. (…) Les observations les plus précises que nous ayons en cosmologie sont les mesures du fond diffus cosmologique. Ce phénomène est un rayonnement laissé par le Big Bang qui arrive vers nous depuis toutes les directions du ciel. Il est purement thermique – c’est-à-dire aléatoire. Il s’est refroidi au fur et à mesure de l’expansion de l’univers et a maintenant la température de 1,7 degrés Kelvin. Cette température est uniforme partout dans le ciel à un très haut degré de précision mais, au niveau de quelques parties sur cent mille, il existe des fluctuations. (…) Un autre trait que nous observons dans ces données est qu’il existe très peu d’énergie à la longueur d’onde la plus grande. (…) On pourrait l’interpréter comme une coupure au-dessus de laquelle les modes sont beaucoup moins excités. Il est intéressant de noter que cette coupure se situe à l’échelle R, associée à la constante cosmologique. L’existence d’une telle coupure serait énigmatique du point de vue de la théorie du début de l’Univers la plus largement acceptée, qui s’appelle « inflation ». Selon cette théorie, l’Univers s’est étendu exponentiellement vite à une période extrêmement ancienne. L’inflation explique la quasi-uniformité du fond diffus, en assurant que toutes les parties de l’univers que nous voyons aujourd’hui auraient pu se trouver en contact fortuit lorsque l’univers était encore à l’état de plasma. La théorie prédit des fluctuations dans le fond diffus cosmologique, dont on pense qu’elles sont des résidus des effets quantiques, en action pendant la période d’inflation. (…) Si l’inflation a produit un univers uniforme à l’échelle où nous l’observons, il est probable qu’elle ait produit un univers uniforme à une échelle beaucoup plus grande. Ceci implique, à son tour, que les motifs des fluctuations causées par l’inflation doivent rester les mêmes quelle que soit la profondeur de notre regard expérimental. (…) Au lieu de cela, l’expérience montre que les fluctuations cessent au-dessus de l’échelle R. "

sur la matière et l’énergie noire

sur la matière noire

Les articles de Lee Smolin en anglais

L’énergie noire

Matière et énergie sombre

Des étoiles aux atomes

Matière noire et énergie sombre

Jusqu’à présent les observations favorisent toutes le modèle de la matière noire froide, dit encore le Cold Dark Matter model ou CDM (une petite composante de matière chaude n’est pas exclue cependant). Le problème est que dans ce scénario de croissance hiérarchique, les galaxies évoluant au cours de l’histoire de l’Univers par collisions et fusions en série, une très grande variété devrait en résulter sans aucune corrélation entre les caractéristiques des galaxies comme leur taille, leur luminosité, leur couleur et leur masse.

Or, un groupe d’astronomes avec à leur tête Mike Disney de l’Université de Cardiff, l’un des découvreurs de la contrepartie optique du pulsar du Crabe en 1969, vient de publier le résultat de statistiques portant sur les caractéristiques de près de 200 galaxies découvertes initialement dans le domaine radio, à l’aide du radiotélescope de Parkes, et examinées ensuite dans le domaine optique avec le Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

A première vue, ce qu’ils ont découvert est en contradiction avec le modèle CDM car des corrélations importantes ont été découvertes entre 6 paramètres décrivant des galaxies aussi diverses que les elliptiques, les spirales etc. Parmi ces 6 paramètres, on trouve la masse d’hydrogène neutre, la masse totale qui tient compte d’une hypothétique composante sous forme de matière noire, la luminosité, etc. Selon les chercheurs, il suffirait d’un seul paramètre pour fixer tous les autres même s’ils ignorent encore sa nature. Comme dans le cas des étoiles avec leurs rayons et leur température, il s’agit probablement de la masse de la galaxie.

Normalement, on l’a dit, la croissance chaotique des galaxies dans le modèle CDM ne devrait pas permettre ce genre de corrélations mais les tenants du modèle de la matière noire froide affirment qu’il est encore trop tôt pour en arriver à des conclusions aussi extrêmes. En effet, les preuves indirectes de l’existence de la matière noire obtenues dans le cas des collisions d’amas de galaxies ne se balaient pas d’un revers de la main.

– Ecouter la matière noire

Pour détecter les mystérieuses particules de matière noire, une équipe de chercheurs canadiens explore une piste prometteuse et originale : à l’aide d’une chambre à bulles, il serait possible... de les entendre.

Il s’agirait de particules neutres n’interagissant que très faiblement avec la matière normale et probablement uniquement par l’attraction gravitationnelle.

Lorsqu’une particule de matière noire pénètre à l’intérieur d’une de ces gouttes et entre en collision avec un noyau, l’énergie qu’elle dépose va se répartir dans la goutte et, plus précisément, provoquer la transition de phase du liquide en vapeur. Le phénomène s’accompagnera d’une émission sonore.

Voir la matière invisible

La “matière noire” serait-elle un simple effet d’illusion dû à la polarisation du vide quantique