Matière Noire et Energie


La « matière noire » : fiction ou réalité ?

Existe-t-il dans le cosmos une matière différente de la matière ordinaire ? C'est ce qu'affirment avec assurance une majorité de scientifiques en s'appuyant sur la difficulté à expliquer certaines mesures de vitesse à l'aide de la seule matière détectée. Mais les observations sur lesquelles ils se basent sont-elles vraiment probantes ? Comment oser parler d'une substance de nature inconnue, introduite de façon arbitraire, non prévue par la théorie, invisible, et échappant pour ces raisons à la science ? N'est-ce pas risquer de tomber dans l'arbitraire et ouvrir ainsi la porte à des abus incontrôlables ? 

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Christian Magnan
Collège de France, Paris
Université de Montpellier II

Une sombre histoire de matière et d'énergie

Il s'agit d'un excellent article à propos de matière et d'énergie que notre ami Jérémie filet, médiateur scientifique spécialisé en astrophysique, nous a offert en exclusivité. "A ce niveau, il y a sans doute un prix Nobel à décrocher"… "Nous faudrait t-il changer de paradigme pour sortir de cette impasse ?"

Publié le 24/05/2012 par Jérémie filet, médiateur scientifique spécialisé en astrophysique

Voici un excellent article de très haut niveau à propos de matière et d'énergie que notre ami Jérémie filet, médiateur scientifique spécialisé en astrophysique, nous a offert en exclusivité. "A ce niveau, il y a sans doute un prix Nobel à décrocher"… "Nous faudrait t-il changer de paradigme pour sortir de cette impasse ?" :

Cela fait un bon moment que l'on entend parler d'une mystérieuse matière sombre de nature parfaitement inconnue. 
En revanche, cette histoire d'énergie sombre a mis depuis peu en effervescence les neurones des cosmologistes surpris par cette inattendue accélération de l'expansion de l'univers. Ce sujet fait aujourd'hui parti des plus grandes énigmes de la cosmologie moderne et déclenche, de toute part, des débats passionnés, aussi bien en gros titre des magazines d'astronomie que sujets des choisis par les conférenciers. 

Pour ma part je l'ai entendu pour la première fois au début de l'an 2000 alors qu'elle circulait comme une rumeur dans les coulisses. Certains la percevaient déjà comme une sorte de 5ème force qu'ils baptisaient « la quintessence » et qui agissait comme une gravitation répulsive… 

Tentons de comprendre comment cette énergie est apparue chez les astronomes.

Voici un petit récapitulatif à propos de cette matière sombre impossible à dénicher.

Il est possible de calculer à partir de la quantité totale de matière visible dans une galaxie, la vitesse radiale d'une étoile ainsi que sa période. 
Cela nous fait penser aux lois de Newton… De toute manière, les étoiles se trouvant à la périphérie d'une galaxie doivent en théorie tourner moins vite que celles se trouvant près du centre. De même que Pluton (5000km/h) tourne moins vite que Mercure (170000km/h.).
Il s'agit bien entendu de vitesse de révolution.

Lorsque l'on s'amuse à calculer pour n'importe quelle galaxie la vitesse que doivent posséder les étoiles périphériques d'après la masse galactique visible, on en arrive à découvrir des vitesses extrêmement supérieures à celles attendues ! Surprenant non? 

Quand on sait que la vitesse d'un objet décroît normalement avec la distance, on ne peut qu'être amener à déduire l'existence d'une matière invisible qui est belle et bien présente dans tout le volume galactique et surtout qui représente une composante massive beaucoup plus importante 

Si jamais Pluton tournait autour du soleil à la même vitesse que la Terre, c'est à dire 110 000km/h alors qu'elle en est 40 fois plus éloignée, il nous faudrait forcément conclure à l'existence de quelque chose de massif traînant quelque part au royaume des géantes gazeuses ! 

Il est devenu assez frustrant de traquer cette matière noire sans savoir à quoi elle ressemble. La matière grise, elle par contre, palpite pour donner lieu à des hypothèses qui y vont bon train…
            
L'imagination déborde, les idées fleurissent… une campagne de recherche est lancée pour trouver des candidats à la matière noire...
On parle alors des Machos (Massives Astrophysics Compacts Halo Objects), c'est facile à traduire non ? 

Là on vise plutôt des astres très peu lumineux comme par exemple les Trous noirs ou les Naines brunes qui sont des étoiles ratées du fait qu'elles n'ont guère réussi à accumuler suffisamment de matière pour déclencher des réactions thermonucléaires dû à la fusion de l'hydrogène comme le fait le soleil.
En revanche, avec un point de fusion inférieur à celui de l'hydrogène, le  Deutérium ou hydrogène lourd « brûle » au cœur de ces astres contrairement à Jupiter que l'on qualifie à tort d'étoile ratée.

Les Machos peuvent être associés à de la matière noire invisible mais baryonique.
A noter que la matière grise est aussi constituée de baryons (protons +neutrons). Les astronomes se sont néanmoins aperçus que cette matière baryonique ne suffisait pas à expliquer le mouvement des amas de galaxies. Par conséquent, ils ont dû faire appel à l'existence d'une matière sombre qui non seulement n'est pas visible mais pas non plus constituée de baryons. 

Ceci nous amène à un nouveau type de candidat : les WIMPS (Weakly Interacting Massives Particles).
Pour ceux qui comme moi ont du mal avec la langue de Shakespeare, il s'agit tout simplement d'une allusion à des particules qui interagissent faiblement avec la matière de type neutrino ou autres particules exotiques sur lesquelles fantasment les physiciens des particules…  Sans résultats !

Jusque-là, on attribuait à la matière visible lumineuse une valeur de 0,1 en fraction de la densité critique. 
La matière noire représentait alors 90% de cette densité.
Celle-ci va déterminer l'évolution de l'univers mis en évidence par les équations de la relativité générale d'Einstein. Juste pour mettre en lumière le fait que si la densité de l'univers est supérieure à cette densité critique, cela signifierai que l'expansion de l'univers finirait un jour par être stoppée par la gravité en risquant même de faire marche arrière. Autrement dit, l'univers se contracte jusqu'à finir par retourner à son point originel appelé BIG CRUNCH.  Il s'agit d'un univers fini et fermé à géométrie sphérique.

Si la densité de l'univers est inférieure à cette densité critique, la gravité n'est pas assez forte pour ralentir l'expansion si bien qu'on a un univers ouvert et infinie à géométrie hyperbolique. 
Enfin, il existe entre les deux, un cas ou la quantité totale de matière contenue dans l'univers est égale à la densité critique de telle sorte à envisager un univers plat et à géométrie euclidienne.

C'est en étudiant de lointaines supernovæ de type 1A qui sont de véritables chandelles standard (parce qu'ils ont la même luminosité absolue) que le problème de l'énergie sombre à surgit en 1998. 

Grace aux calculs de deux équipes américaines chacune de leur côté, on a trouvé à ces supernovæ des distances totalement inattendues ! Elles ne sont pas là où elles devraient être ! Elles sont plus loin que prévu !
Cela signifie que l'univers est en train de gonfler beaucoup plus rapidement que ne prédit la théorie … 

Des vibrations intellectuelles provoquées par la matière grise planent joyeusement dans la communauté des spécialistes en cosmologie. On entend donc parler d'énergie du vide, de constante cosmologique, d'antimatière, d'anti-cosmos et même d'univers-miroir!

On essaie de démystifier cette curieuse et nouvelle force qui accélère l'expansion de l'univers et qui représente surtout 70% de son contenu total !
Soit 25% pour la matière noire baryonique et non baryonique ; et seulement 5% de la matière visible que l'on connaît habituellement sous formes d'étoiles planètes, galaxies, amas etc…
Autrement dit, 95% de l'univers nous est complètement inconnu. Ce qui peut nous laisser du coup la désagréable sensation que la science piétine et avance à reculons. En même temps que nous avançons, de plus en plus de nouveaux points d'interrogation se dressent devant nous.

Vu sous cet aspect, il n'y a guère de quoi faire l'apologie de la science même si certains pensent qu'elle a fait de nous des dieux avant même que nous méritions d'être des hommes ! 

Ayons quand même l'humilité de reconnaître que cette petite parcelle de 5% ne nous mène pas bien loin en nous privant par la même occasion de la lumière de la vérité.

Quelle sensation désagréable que de ressembler aux prisonniers de la caverne de Platon ! Ces derniers enchaînés, voyaient comme une réalité absolue l'ombre portée d'objets divers défilant devant eux!

Science et philosophie doivent aller de pair !

Cette force inconnue, se moquant de la gravité, donne aux galaxies lointaines un formidable élan, et comme on ne connaît pas sa nature on l'a appelé « énergie sombre ou énergie noire » et l'évolution de l'univers va surtout dépendre d'elle !!!

Le plus fascinant avec les supernovæ de type 1A, c'est qu'ils brillent comme des milliards de soleils en présentant une courbe de lumière régulière et uniforme , contrairement aux supernovæ de type 2 ou de type 1B ou 1C. 

Juste pour vous dire que les supernovæ de type 1A, 1B, et 1C ont en commun l'absence de raie d'hydrogène dans leur spectre tout en provenant de l'explosion d'une naine blanche qui avait« ressuscité » avant d'exploser et ce grâce à une importante chute de matière de leur compagnon…
Elles proviennent par conséquent d'un système binaire.

Les céphéides qui sont des étoiles de luminosité très variable nous servaient de balises cosmiques pour estimer des distances, mais les supernovæ plus lumineuses  sont plus intéressantes car plus lointaines. 
Les cosmologistes ont pris un échantillon d'une cinquantaine de supernovæ de type1A et ont calculé leur distance.

Il existe un paramètre cosmologique qui s'appelle le facteur de décélération de l'univers qui est la dérivée du taux d'expansion de l'univers (fonction lui-même de la distance et la vitesse de fuite des galaxies lointaines). 
Ce taux d'expansion est simplement la constante de Hubble, dont vous avez certainement déjà entendu parler…

Le facteur de décélération, ayant été mesuré, est une conséquence de la gravité qui existe entre les galaxies. Il s'agit en d'autres termes du taux de ralentissement de l'expansion. Or, lorsqu'ils ont évalué la distance de ces supernovæ, ils se sont rendu compte, à leur grand étonnement, que cette décélération n'avait pas eu lieu puisque les supernovæ étaient emportées beaucoup plus loin par une expansion folle…

Quel phénomène scientifique peut bien être responsable de cet emballement inattendu ?

Quel est cette « chose » qui ignore la gravité ? Une énergie mystique ? Un anti-univers ? Un univers double? 

A ce niveau, il y a sans doute un prix Nobel à décrocher…

Alors, qui tente le coup ?

Nous faudrait t-il changer de paradigme pour sortir de cette impasse ?


Jérémie filet
médiateur scientifique spécialisé en astrophysique