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La Terre, la Lune et la matière sombre
Les lecteurs assidus de mes billets se souviendront que j'ai souvent mentioné qu'un des constituants essentiels de l'Univers serait sous forme de matière sombre. En effet, selon la plupart des modèles et des observations, la matière ordinaire (les protons, les neutrons, vous, moi, les planètes et les galaxies) ne compterait que pour environ 5% de l'Univers, la matière sombre dont la nature est encore inconnue 23%, tandis que le reste, soit 72%, serait formé d'énergie sombre (elle aussi de nature inconnue).
La nature, la quantité et les propriétés physiques de cette matière sombre semblent, à première vue, relever de la cosmologie et de la physique des particules élémentaires, deux domaines extrêmement pointus sans lien direct avec la vie de tous les jours. Or, ce n'est peut être pas tout à fait le cas... du moins selon les travaux du physicien Stephen Adler du "Institute for Advance Study" de Princeton. En effet, dans un article publié récemment (Journal of Physics, 2008, vol.41, p.412), Adler propose une solution originale à un curieux problème de navigation spatiale connu sous le nom d'anomalie de fronde ("fly-by anomaly").
Nous explorons le système solaire à l'aide de sondes spatiales depuis plus de 50 ans. Chacune des missions représente un compromis entre la charge utile, celle des instruments de mesure et de télécommunication, et la masse sous forme de carburant, nécessaire au lancement et aux nombreuses manoeuvres qui doivent être exécutées afin d'atteindre les objectifs scientifiques de la sonde. Au fil des années les techniques du vol spatial se sont raffinées de manière à diminuer la quantité de carburant nécessaire pour atteindre des cibles lointaines (Jupiter, Saturne, la ceinture d'astéroïdes, etc.) au profit de la charge utile (plus d'instruments, ou des instruments plus complexes et plus gros).
L'une de ces techniques est appelée "assistance gravitationnelle" ou "fronde gravitationnelle". Elle consiste à utiliser l'attraction gravitationnelle d'une planète pour modifier la direction et la vitesse d'une sonde lorsque celle-ci frôle la planète. À la base, cette technique fait appel à la physique simple développée par Newton il y a plus de trois siècles. Dans les faits, le calcul est plus complexe car les spécialistes responsables d'établir les trajectoires des sondes spatiales doivent tenir compte d'une foule de facteurs afin de prévoir correctement (et surtout précisément!) les modifications qui seront apportées au trajet de la sonde lors de son passage près d'une planète. La technique est maîtrisée avec succès depuis fort longtemps. Grâce à cet effet de fronde, des sondes telles Galileo, NEAR, Cassini, ou Mercury Messenger ont pu atteindre leur cible respective en emportant un minimum de carburant tout en maximisant la science obtenue.
Les modèles permettant de calculer avec précision les modifications apportées à la trajectoire d'une sonde tiennent compte de plusieurs facteurs dont, entre autres, la masse de la planète qui sera frôlée par la sonde. Dépendant de la trajectoire d'approche de la sonde vers la planète, sa vitesse sera augmentée ou diminuée après son passage. Dans la plupart des cas, la Terre est une cible commode pour dévier la trajectoire des sondes lancées un peu partout dans le système solaire. On peut donc mesurer avec une grande précision les modifications de vitesse apportées à une sonde après son passge près de notre planète.
Le problème dit d'anomalie de fronde est le suivant. Lorsqu'on compare la vitesse prévue par les calculs avec celle mesurée après l'effet de fronde, on constate une petite différence. L'écart est minime, de l'ordre de quelques millimètres par seconde, mais suffisamment grand pour être significatif. Cette anomalie est observée depuis plusieurs années et pour plusieurs sondes différentes. Plusieurs explications ont été proposées par des physiciens depuis quelques années; pression de radiation sur les panneaux solaires des sondes, fuite de carburant, inclusion d'effets relativistes dans les modèles, modifications la loi de gravitation, erreurs de mesures, etc. Aucune ne s'est cependant avérée satisfaisante.
C'est ici qu'intervient la proposition de Adler. Selon ses travaux, les trajectoires des sondes seraient modifiées non seulement par la masse de la Terre, mais aussi par la masse d'une petite quantité de matière sombre (invisible) dans le voisinage de notre planète. Dans l'article publié récemment, il estime même la quantité et la répartition de cette matière sombre. En comparant la masse de la Terre, déduite par les trajectoires des nombreux satellites en orbite basse autour de notre planète, avec celle déduite par la trajectoire orbitale de la Lune, Adler suggère que la Terre est entourée d'une coquille de matière sombre dont la masse est d'environ mille millions de millions de kilogrammes, soit 4 milliardièmes de la masse de la Terre elle-même ! De plus, la matière sombre serait surtout concentrée dans un rayon de près de 70,000 km autour de la Terre.
Naturellement, l'hypothèse de Adler soulève quelques questions. Ainsi, pourquoi la densité de la matière sombre au voisinage de la Terre est-elle beaucoup importante que celle estimée dans le reste de notre galaxie ? Quels mécanismes auraient permi l'accumulation d'une telle quantité de matière sombre près de notre planète ? La-dessus, Adler admet n'avoir aucune idée. Néanmoins, l'explication qu'il propose mérite certainement qu'on s'y prête attention. Qui sait, nos sondes spatiales pourraient possiblement ouvrir un tout nouveau domaine de recherche pour lesquelles elles n'étaient pas conçues initialement...!
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Avant "d'invoquer" cette composante mystérieuse qu'est la matière sombre, on a évidemment tenu compte de tout ce qui est connu et observé (gaz, poussière, planète, étoile, etc.). Toute cette matière ordinaire n'est pas suffisante pour expliquer les nombreuses anomalies observées.
C'est la raison pour laquelle la plupart des astrophysiciens postulent l'existence de matière dite sombre. Puisqu'on n'arrive pas à la voir avec nos télescopes, cette matière n'émet pas de lumière quelle que soit la longueur d'onde. Il faut donc que la matière sombre ait des propriétés différentes de la matière ordinaire. On en conclut qu'elle est constituée de particules exotiques, inconnues à ce jour.