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Comment sait-on que la matière sombre existe?

Pauline Gagnon, le 23 janvier 2014, 12h30

Premier volet d’une série de quatre sur la matière sombre.

Comment sait-on que la matière sombre existe?
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Comment sait-on que la matière sombre existe?

Pour plus d’information (en anglais):

• Hangout with CERN: The Dark Side of the Universe.

• TED Ed clip: Dark matter: The matter we can’t see.

• TED talk by Pat Burchat: Shedding light on dark matter.

Certain-e-s d’entre vous ont peut-être entendu parler de la matière sombre, cette mystérieuse matière qu’on ne peut pas voir mais qui compte pour 27% du contenu de l’Univers alors que la matière visible (vous, moi, toutes les étoiles et les galaxies) n’équivaut qu’à 5%. Comment sait-on si elle existe vraiment? En fait, son existence est confirmée de bien des façons différentes.

Amas galactiques

C’est l’astronome suisse Fritz Zwicky qui soupçonna le premier l’existence de la matière sombre en 1933. Il voulait mesurer la masse d’un amas galactique (un groupe de plusieurs galaxies) et utilisa deux méthodes différentes. Il a d’abord évalué cette masse à partir de la vitesse de rotation des galaxies. Tout comme les enfants sur un carrousel doivent s’accrocher pour éviter d’être éjecté, les galaxies sont maintenues ensemble dans un amas galactique en rotation par la force gravitationnelle fournie par la matière qu’il contient. Il doit y avoir suffisamment de matière pour engendrer la force nécessaire, sans quoi les galaxies se disperseraient.

Il a comparé son résultat avec la masse évaluée à partir de la lumière émise par les galaxies. Il s’est ainsi rendu compte qu’il y avait beaucoup plus de matière dans l’amas que ce qui était visible. Cette matière d’un type inconnu générait un champ gravitationnel mais sans émettre de lumière, d’où son nom de matière sombre.

Galaxies en rotation

Mais ce n’est que dans les années 1970 que l’astronome américaine Vera Rubin mesura les vitesses de rotation des étoiles à l’intérieur d’une galaxie avec suffisamment de précision pour convaincre la communauté scientifique. Elle observa que ces étoiles tournaient toutes à peu près à la même vitesse, indépendamment de leur distance du centre galactique. Ceci contredit la loi de Kepler qui décrit la rotation des planètes autour du soleil.

Une planète éloignée du soleil tourne plus lentement qu’une planète plus rapprochée, tel qu’indiqué par la courbe A sur ce graphique. Cependant, Vera Rubin observa que les étoiles des galaxies en rotation suivaient plutôt la courbe B. C’était comme si les étoiles ne tournaient pas autour du centre visible de la galaxie, mais autour de centres inconnus, tous offrant une attraction gravitationnelle supplémentaire. Cela ne pouvait se produire que si d’énormes quantités de matière invisible remplissaient la galaxie et s’étendaient même au-delà de ses limites.

Lentilles gravitationnelles

Une des techniques les plus frappantes de détection de la matière sombre est celle des «lentilles gravitationnelles». Cela fonctionne sur le fait que les grandes concentrations de matière (visible ou sombre) créent des champs gravitationnels assez forts pour déformer l’espace.

Imaginez un drap tendu où on lance une balle de ping-pong. La balle se déplacera en ligne droite en suivant le drap. Mais laissez tomber un objet lourd au milieu du drap, et la balle décrira une courbe selon la surface déformée du drap.

La lumière se comporte de la même manière dans l’espace. Un espace vide sans aucune matière est semblable à un drap tendu et la lumière se déplace en ligne droite. En présence d’un objet massif, une étoile ou une galaxie, l’espace est déformé et la lumière suit les courbes de cet espace.

La lumière provenant d’une galaxie lointaine s’infléchira en passant près d’un amas de matière sombre comme indiqué ci-dessus. La galaxie apparaîtra décalée comme si elle se trouvait ailleurs (aux positions des images du haut et du bas sur cette figure). En trois dimensions, toute la lumière déviée formera un anneau comme celui que l’on voit sur cette photo prise par le télescope Hubble. Si la galaxie et le télescope ne sont pas parfaitement alignés, seuls de petits arcs apparaitront.

Cette technique est désormais assez puissante pour produire des cartes de la distribution de la matière sombre dans l’Univers.

Fond diffus cosmologique

Les astrophysicien-ne-s peuvent même déduire la quantité de matière sombre dans l’Univers en étudiant le fond diffus cosmologique. Il s’agit d’un rayonnement fossile datant de l’époque où l’Univers avait à peine 380 000 ans. Cette lumière fossile voyage depuis plus de 13 milliards d’années et nous parvient aujourd’hui venant de toutes et d’aucunes directions en particulier.

Cette carte de l’Univers
a été établie à partir des données prises par le satellite Planck. Elle montre des points plus chauds correspondant aux endroits où d’abord la matière sombre, puis la matière visible, ont commencé à former des grumeaux, fournissant ainsi des graines de galaxies. Aujourd’hui, les scientifiques pensent que la matière sombre a servi de catalyseur dans la formation des galaxies.

On peut analyser ce rayonnement cosmique tout comme le son d’un instrument de musique peut être décomposé en harmoniques. En se basant sur les caractéristiques de son «spectre de puissance», c’est à dire sur la quantité de rayonnement associé à chaque fréquence, les astrophysicien(ne)s peuvent calculer la quantité de matière sombre contenue dans l’Univers.

Jusqu’à présent, toutes les manifestations de la matière sombre bien que nombreuses et convaincantes demeurent indirectes. On ne la perçoit qu’à travers ses effets gravitationnels. Existe-t-il des preuves directes? Ce sera mon prochain sujet. Mais attention: le débat fait rage dans la communauté scientifique sur l’interprétation des différents résultats.

Ce billet a été en premier lieu publié sur le blogue du CERN Quantum Diaries.