Répartition de la masse de l'Univers.




La théorie du Big Bang, couplée à la relativité générale d'Einstein semble tout expliquer du passé de l'Univers et de son futur. Mais il reste de nombreuses énigmes à résoudre. Si les mouvements des planètes sont bien connus et prévisibles, ceux des galaxies lointaines échappent aux calculs des astrophysiciens.




Le problème n'est pas neuf puisque dès 1933, l'astronome suisse Zwicky le pointe du doigt. Il mesure la distribution des vitesses des galaxies de l'amas de Coma, et les trouve excessivement élevées. Si élevées que Zwicky émet l'idée qu'une grande quantité de masse soit présente dans l'amas. Sans elle, l'amas se serait dissocié depuis très longtemps. Ces résultats sont publiés en 1937.




Et l'amas de Coma n'est pas la seule anomalie pour les calculs des physiciens. En 1939, Babcock, un astronome américain, mesure la rotation de la galaxie d'Andromède : elle est beaucoup plus élevée que ce qu'on attendait. En 1940, c'est au tour d'Oort de constater aussi une rotation anormalement importante dans la galaxie NGC 3115.




Bref, en 1961, à la conférence de Santa Barbara sur l'instabilité des systèmes de galaxies, on commence sérieusement à s'intéresser à ces bizarreries cosmiques et à évoquer une masse cachée responsable des anomalies observées. Cette masse, de nature inconnue, on l'appelle matière noire. L'Univers pourrait donc contenir beaucoup de masse sous cette forme n'émettant pas de lumière : la matière noire.






La matière visible des amas de galaxies (le gaz et les galaxies, ces dernières ne représentant qu'une faible fraction de la masse de gaz), ne compte que pour environ 10 % de leur masse gravitante. L'étude de ces amas indique que 90 % de leur masse est sous une forme invisible.




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Une matière pas ordinaire




La matière noire n'est-elle qu'un pansement colmatant les brèches d'une théorie de la relativité insuffisante voire fausse ? Il n'existe qu'une façon de le savoir : la chercher, et surtout, la trouver. Mais comment et où ?




Il est difficile de chercher quelque chose si on ne sait pas vraiment ce qu'on cherche. Or, justement, la nature de la matière noire reste mystérieuse. Pourtant, les chercheurs ont quelques pistes. Quelle est alors sa nature ?




Bien sûr, on a d'abord imaginé qu'il s'agissait de matière "ordinaire" (celle qui constitue les étoiles, les galaxies, la vie…) mais sous une forme où elle n'émettrait pas de rayonnement, empêchant toute détection. Les chercheurs se sont donc tournés vers de la matière très froide, comme l'hydrogène moléculaire et vers des objets stellaires totalement invisibles comme les trous noirs, les naines brunes, ou les gaz.




Candidats recalés








Il est vrai que les trous noirs auraient pu être de bons candidats, et notamment certains d'entre eux, les trous noirs supermassifs. Cependant, il en faudrait près d'un million dans une galaxie pour combler ce manque de matière, un nombre bien trop important. Avec autant de trous noirs, les mouvements des étoiles seraient complètements différents, et les disques galactiques apparaîtraient plus épais.




Les naines brunes alors ? Ce sont des étoiles très froides, trop peu massives pour déclencher des réactions nucléaires. On s'est penché sur leur cas dans les années 1990 : on voulait estimer la quantité de matière noire qu'elles pourraient cacher. Leur contribution semble faible (quelques pour cent) et de toute façon insuffisante pour rendre compte des mouvement galactiques.










Les naines brunes, étoiles trop légères pour briller, ne suffisent pas combler la matière manquante de l'Univers.
Il y a l'observation, certes, mais aussi les calculs. Or, d'après la théorie de la relativité, et partant du Big Bang, les prévisions donnent précisément la composition de l'Univers. Or, celle-ci ne colle pas du tout avec la réalité mesurée : les astrophysiciens n'ont accès qu'à moins de 20 % de la matière totale de l'Univers. Une matière dite baryonique, ordinaire, dont les particules agissent gravitationnellement et si elles sont chargées, avec le rayonnement magnétique.




Voilà comment on en est venu, en 1970, à penser que la matière noire est de nature non ordinaire, inconnue, qui n'interagit pas avec le rayonnement. Les modèles prédisent qu'elle n'est pas constituée de neutrons et de protons, mais de particules encore inconnues n'émettant aucune radiation électromagnétique. Cependant, elle montre le même comportement que la matière par rapport à la gravitation : c'est de cette manière qu'on peut l'étudier.




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On envisage donc des particules non ordinaires. Ce seraient les Wimps les constituants de la matière noire. Qui sont ces Wimps ? Des particules prédites par les extensions du modèle standard de la Physique des Particules : Weakly interacting massive particles, anglais pour "particules massives interagissant faiblement".




La matière ordinaire est composée de fermions (comme les quarks, les neutrons, les électrons) et de bosons (ou intermédiaires des interactions fondamentales comme les photons, gluons, bosons). Or, en physique des particules, le modèle supersymétrique prévoit que chaque particule possède un super-partenaire (boson pour les fermions et fermions pour les bosons. Ainsi, le nombre de particules est doublé. Par exemple, le photon se retrouve accompagné d'un photino, le graviton d'un gravitino, l'électron d'un sélectron... Mais cette symétrie n'est pas exacte : elle est dite brisée. Du coup, les superpartenaires se retrouvent avec une masse très importante.








Particulièrement discrètes




Le neutralino est l'une de ces superparticules, combinaison de trois autres superparticules : le photino (partenaire du photon), du zino (partenaire du boson Z0) ou du higgsino (partenaire du boson de Higgs). Stable, elle ne peut se désintégrer en un élément plus léger. Neutre de couleur et de charge électrique, elle n'est sensible qu'à l'interaction faible. Voilà pourquoi elle constitue un excellent candidat à la matière sombre non-baryonique. De plus, le neutralino est, en théorie, très abondant au point de représenter l'essentiel de la matière de l'Univers.







Antares, chasseur sous-marin de matière noire. © F.Montanet, CNRS/IN2P3 and UJF for Antares
Comment le détecter ? En raison de leur interaction très faible avec la matière, donc avec un détecteur, la détection des neutralinos s'avère difficile. Ils peuvent traverser la matière constituant le Soleil ou la Terre sans aucun effet. Il faut donc protéger les détecteurs de tous les parasites (rayonnement cosmique et sa radioactivité, radioactivité naturelle matériaux).




La détection de neutralinos peut être directe, par interaction dans le détecteur (ce que fait Edelweiss), ou indirecte, via la recherche des produits d'annihilation (ce que fait Antares). De nombreux détecteurs existent en orbite terrestre (AMS, Pamela), sous la glace du pôle Sud (Amanda, IceCube), en milieu marin (Antares), ou encore dans les laboratoires souterrains (Edelweiss, MACHe3). De nombreuses équipes dans le monde cherchent à observer les Wimps.