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Cosmologie et matière sombre

Pauline Gagnon, le 6 février 2014, 15h42

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

Cosmologie et matière sombre
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Cosmologie et matière sombre

Voici le troisième volet d’une série sur la matière sombre. J’ai déjà examiné comment elle se révèle à travers des effets gravitationnels et l‘absence de preuves directes d’interaction avec la matière visible. Voyons maintenant comment la cosmologie soutient également l’existence de la matière sombre.

Graines de galaxies

Il est maintenant largement admis que toute la matière (sombre et visible) était distribuée uniformément juste après le Big Bang. En résumé, une expansion rapide a suivi pendant laquelle l’Univers s’est refroidi et les particules ont ralenti suffisamment pour former des noyaux, et ce trois minutes après le Big Bang. Les premiers atomes sont apparus 300 000 ans plus tard, et les galaxies se sont formées entre une centaine et un millier de millions d’années plus tard. Bon.

Comment l’Univers est-il passé d’un gigantesque nuage de matière uniformément répartie à la formation de grandes structures comme les galaxies? La matière sombre est probablement à blâmer.

Etant plus lourde que la matière ordinaire, elle s’est ralentie plus tôt. De petites fluctuations quantiques ont évolué en minuscules grumeaux de matière sombre. Ces grumeaux ont grossi en attirant plus de matière sombre sous l’effet de l’attraction gravitationnelle et cela a fait boule de neige. Puisque la matière sombre n’interagit que très faiblement, cette petites graines ont aussi pu résister à la tempête des débuts de l’Univers.

Une fois la matière visible refroidie après l’expansion de l’Univers, elle a commencé à s’accumuler sur les grumeaux de matière sombre. Par conséquent, la matière sombre a semé les graines des galaxies. «Tout cela aurait aussi été possible sans la matière sombre, mais il aurait fallu beaucoup plus de temps», explique Alexandre Arbey, théoricien au CERN.

Simuler la formation de l’Univers

Pas convaincu-e? Aujourd’hui, les cosmologistes peuvent reproduire ce processus à l’aide de simulations informatiques. Comme point de départ, ils et elles injectent dans leurs modèles la quantité de matière ordinaire et sombre présente juste après le Big Bang. Les observations du fond diffus cosmologique fournissent ces estimations. Puis on laisse évoluer le tout sous l’effet attractif de la gravité et répulsif de l’expansion de l’Univers.

Toutes ces suppositions doivent converger pour reproduire la quantité de matière sombre observée aujourd’hui, une quantité appelée «l’abondance relique». Si tout est bien réglé, les scientifiques peuvent reconstituer toute l’évolution de l’Univers en accéléré depuis le Big Bang jusqu’à nos jours.

Les résultats sont frappants comme le montrent ces trois photos. Ces images générées par ordinateur montrent la distribution de la matière sombre 470 millions d'années après le Big Bang, puis 2,1 et 13,4 milliards d’années plus tard (aujourd’hui). La matière sombre forme d’abord de petits grumeaux, puis de longs filaments et enfin des structures à grande échelle apparaissent.

La vidéo étonnante ci-dessus a été réalisée par des scientifiques du CNRS afin de montrer comment ils et elles utilisent maintenant ces méga simulations dans l’espoir de sélectionner parmi les différents modèles de matière et d’énergie sombres celui qui correspond aux observations actuelles.

Matière sombre froide

Une autre approche permettant de sélectionner quelle théorie de la matière sombre correspond le mieux à la réalité a été démontrée le mois dernier par un groupe de scientifiques travaillant avec le télescope Subaru. L’équipe a étudié la distribution de matière sombre dans cinquante amas de galaxies. La moyenne de toutes les données montre que la densité de matière sombre diminue progressivement à partir du centre des amas galactiques jusqu’à leurs contours diffus.

Cette mesure correspond aux prédictions de la théorie de la matière sombre froide (CDM), qui stipule que celle-ci est composée de particules se déplaçant lentement. Pour de la matière sombre chaude, les particules se déplaceraient presque à la vitesse de la lumière, comme les neutrinos.

La théorie de la matière sombre froide prédit que les régions centrales des amas de galaxies ont une densité de matière sombre inférieure tandis que les galaxies individuelles ont un paramètre de concentration élevé.

Signaux inexpliqués venus de l’espace

Les astronomes n’apportent pas que des éléments de réponse au mystère de la matière sombre mais soulèvent aussi des questions. Par exemple, il y a une dizaine d’années, l’expérience INTEGRAL-SPI a trouvé une source de rayons gamma intense à 511 keV en provenance du centre galactique, là où la matière sombre est la plus concentrée. Cette valeur de 511 keV correspond exactement à l’équivalent en énergie de la masse d’un électron ou positron.

Cela avait donc toutes les allures de particules de matière sombre s’annihilant ou se désintégrant en une paire d’électron et positron, puis ceux-ci s’annihilant en rayons gamma comme dans ce diagramme. Malheureusement, aujourd’hui l’intérêt s’estompe car les théoricien-ne-s peinent à définir un mécanisme expliquant cet effet tout en respectant les nombreuses contraintes imposées par d’autres observations.

Plusieurs expériences à bord de satellites (HEAT, Pamela et FERMI) ont observé un excès de positrons dans les rayons cosmiques. Un positron est l’antimatière de l’électron. Puisque la matière l’emporte sur l’antimatière dans l’Univers (autrement, nous et les galaxies ne serions pas là), difficile d’expliquer l’origine de ces positrons.

Plusieurs théoricien-ne-s ont invoqué des sources astronomiques comme les pulsars, mais le débat est loin d’être clos. Seraient-ce les premiers signes concrets de matière sombre interagissant avec la matière visible? L’expérience AMS à bord de la Station spatiale internationale a déjà démontré la haute qualité de ses données et pourrait bien trancher d’ici peu.

La matière sombre conserve son mystère, mais tout évolue rapidement. Dans mon prochain billet, j’aborderai comment le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN pourra contribuer après son redémarrage en 2015.