Vous regardez sans doute l'une des meilleures cartes de matière noire que nous ayons. Les astronomes ont teinté en bleu les concentrations de matière noire dans l'amas de galaxies géantes Abell 1689. Ils ont déterminé l'emplacement de ces concentrations en utilisant des lentilles gravitationnelles. Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA, ESA, et D. Coe (NASA JPL/Caltech et STScI) Dans l'album de suivi de 1978 à "Born to Run, " Bruce Springsteen utilise l'obscurité à la périphérie de la ville comme métaphore de l'inconnu désolé auquel nous sommes tous confrontés en grandissant et en essayant de comprendre le monde.
Les cosmologistes qui travaillent à déchiffrer l'origine et le destin de l'univers doivent s'identifier complètement avec le sens du désir tragique de The Boss. Ces scientifiques qui observent les étoiles sont confrontés depuis longtemps à leurs propres ténèbres aux abords des villes (ou des galaxies) alors qu'ils tentent d'expliquer l'un des plus grands mystères de l'astronomie. C'est connu comme matière noire , qui est lui-même un espace réservé - comme le x ou le y utilisé dans la classe d'algèbre - pour quelque chose d'inconnu et jusqu'ici invisible. Un jour, il va profiter d'un nouveau nom, mais aujourd'hui, nous sommes coincés avec l'étiquette temporaire et ses connotations d'incertitude obscure.
Ce n'est pas parce que les scientifiques ne savent pas comment appeler la matière noire qu'ils n'en savent rien. Ils savent, par exemple, que la matière noire se comporte différemment de la matière "normale", comme les galaxies, étoiles, planètes, astéroïdes et tous les êtres vivants et non vivants sur Terre. Les astronomes classent tout cela comme matière baryonique , et ils savent que son unité la plus fondamentale est l'atome, qui lui-même est composé de particules subatomiques encore plus petites, comme les protons, neutrons et électrons.
Contrairement à la matière baryonique, la matière noire n'émet ni n'absorbe de lumière ou d'autres formes d'énergie électromagnétique. Les astronomes savent qu'il existe parce que quelque chose dans l'univers exerce des forces gravitationnelles importantes sur les choses que nous pouvons voir. Lorsqu'ils mesurent les effets de cette gravité, les scientifiques estiment que la matière noire représente 23 pour cent de l'univers. La matière baryonique ne représente que 4,6 pour cent. Et un autre mystère cosmique connu sous le nom d'énergie noire constitue le reste – un énorme 72 % [source :NASA/WMAP] !
Alors qu'est-ce que la matière noire ? D'où vient-il? Où est-il maintenant ? Comment les scientifiques étudient-ils les choses quand ils ne peuvent pas les voir ? Et qu'espèrent-ils gagner en résolvant le puzzle ? La matière noire est-elle le secret pour solidifier le modèle standard de la physique des particules, ou modifiera-t-il fondamentalement notre façon de voir et de comprendre le monde qui nous entoure ? Autant de questions auxquelles il faut répondre. Nous allons commencer par le début – ensuite.
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Les astronomes sont fascinés par les galaxies depuis des siècles. Tout d'abord, nous avons réalisé que notre système solaire était enveloppé dans les bras d'un corps massif d'étoiles. Puis vint la preuve que d'autres galaxies existaient au-delà de la Voie lactée. Dans les années 1920, des scientifiques comme Edwin Hubble cataloguaient des milliers d'"univers insulaires" et enregistraient des informations sur leur taille, rotations et distances de la Terre.
Un aspect clé que les astronomes espéraient mesurer était la masse d'une galaxie. Mais vous ne pouvez pas simplement peser quelque chose de la taille d'une galaxie - vous devez trouver sa masse par d'autres méthodes. Une méthode consiste à mesurer l'intensité lumineuse, ou la luminosité. Plus une galaxie est lumineuse, plus il possède de masse (voir Comment fonctionnent les étoiles). Une autre approche consiste à calculer la rotation du corps d'une galaxie, ou disque, en suivant la vitesse à laquelle les étoiles de la galaxie se déplacent autour de son centre. Les variations de vitesse de rotation devraient indiquer des régions de gravité variable et donc de masse.
Lorsque les astronomes ont commencé à mesurer les rotations des galaxies spirales dans les années 50 et 60, ils ont fait une découverte déroutante. Ils s'attendaient à voir des étoiles près du centre d'une galaxie, où la matière visible est plus concentrée, se déplacent plus vite que les étoiles au bord. Ce qu'ils ont vu à la place, c'est que les étoiles au bord d'une galaxie avaient la même vitesse de rotation que les étoiles près du centre. Les astronomes l'ont observé pour la première fois avec la Voie lactée, puis, dans les années 1970, Vera Rubin a confirmé le phénomène lorsqu'elle a effectué des mesures quantitatives détaillées d'étoiles dans plusieurs autres galaxies, y compris Andromède (M31).
L'implication de tous ces résultats indiquait deux possibilités :quelque chose n'allait pas du tout dans notre compréhension de la gravité et de la rotation, ce qui semblait peu probable étant donné que les lois de Newton avaient résisté à de nombreux tests pendant des siècles. Ou, plus probable, les galaxies et les amas galactiques doivent contenir une forme de matière invisible – bonjour, matière noire – responsable des effets gravitationnels observés. Alors que les astronomes concentraient leur attention sur la matière noire, ils ont commencé à recueillir des preuves supplémentaires de son existence.
Pionniers de la matière noireLe concept de matière noire n'est pas né avec Vera Rubin. En 1932, l'astronome néerlandais Jan Hendrik Oort a observé que les étoiles de notre voisinage galactique se déplaçaient plus rapidement que les calculs ne l'avaient prédit. Il a utilisé le terme "matière noire" pour décrire la masse non identifiée nécessaire pour provoquer cette augmentation de vitesse. Un an plus tard, Fritz Zwicky a commencé à étudier les galaxies de l'amas de Coma. A l'aide de mesures de luminosité, il a déterminé combien de masse devrait être dans le cluster et ensuite, parce que la masse et la gravité sont liées, calculé à quelle vitesse les galaxies devraient se déplacer. Lorsqu'il mesura leurs vitesses réelles, cependant, il a découvert que les galaxies bougeaient beaucoup, beaucoup plus vite qu'il ne s'y attendait. Pour expliquer l'écart, Zwicky a suggéré que plus de masse - deux ordres de grandeur de plus - était cachée parmi la matière visible. Comme Oort, Zwicky a appelé ce truc invisible la matière noire [source :SuperCDMS à l'Université Queen's].
C'est une bague double Einstein ! Hubble a pris la photo du champ gravitationnel d'une galaxie elliptique déformant la lumière de deux galaxies exactement derrière elle. Merci, Hubble. Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA, ESA, et R. Gavazzi et T. Treu (Université de Californie, Santa Barbara) Les astronomes ont continué à trouver des informations déroutantes alors qu'ils étudiaient les galaxies lointaines de l'univers. Quelques astronomes intrépides ont tourné leur attention vers amas galactiques – des nœuds de galaxies (aussi peu que 50 et jusqu'à des milliers) liés ensemble par la gravité – dans l'espoir de trouver des mares de gaz chaud qui n'avaient pas été détectées auparavant et qui pourraient expliquer la masse attribuée à la matière noire.
Quand ils ont tourné des télescopes à rayons X, comme l'observatoire de rayons X Chandra, vers ces clusters, ils ont en effet trouvé de vastes nuages de gaz surchauffés. Pas assez, cependant, pour tenir compte des écarts de masse. La mesure de la pression des gaz chauds dans les amas galactiques a montré qu'il doit y avoir environ cinq à six fois plus de matière noire que toutes les étoiles et le gaz que nous observons [source :Chandra X-ray Observatory]. Autrement, il n'y aurait pas suffisamment de gravité dans le cluster pour empêcher le gaz chaud de s'échapper.
Les amas galactiques ont fourni d'autres indices sur la matière noire. Empruntant à la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, les astronomes ont montré que les amas et les superamas peuvent déformer l'espace-temps avec leur immense masse. Les rayons lumineux émanant d'un objet distant derrière un amas traversent l'espace-temps déformé, ce qui fait que les rayons se courbent et convergent lorsqu'ils se déplacent vers un observateur. Par conséquent, l'amas agit comme une grande lentille gravitationnelle, un peu comme une lentille optique (voir Comment fonctionne la lumière).
L'image déformée de l'objet distant peut apparaître de trois manières possibles selon la forme de la lentille :
En mesurant l'angle de flexion, les astronomes peuvent calculer la masse de la lentille gravitationnelle (plus la courbure est grande, plus la lentille est massive). En utilisant cette méthode, les astronomes ont confirmé que les amas galactiques ont en effet des masses élevées dépassant celles mesurées par la matière lumineuse et, par conséquent, ont fourni des preuves supplémentaires de la matière noire.
Chandra à la rescousseEn 2000, Chandra a observé un gigantesque nuage de gaz chaud enveloppant l'amas de galaxies Abell 2029, conduisant les astronomes à estimer que l'amas doit contenir une quantité de matière noire équivalente à plus de cent mille milliards de soleils ! Si d'autres clusters ont des caractéristiques similaires, alors 70 à 90 pour cent de la masse de l'univers pourraient être attribués à la matière noire [source :Chandra X-ray Observatory].
Cette image composite de la fusion de l'amas de galaxies Abell 520 a superposé, des cartes "en fausses couleurs" qui montrent la concentration de lumière stellaire de l'amas (orange), gaz chaud (vert) et matière noire (une grande partie du bleu). Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA, ESA, TCFH, CXO, M.J. Jee (Université de Californie, Davis), et A. Mahdavi (Université d'État de San Francisco) Alors que les astronomes rassemblaient des indices sur l'existence - et la quantité stupéfiante - de matière noire, ils se sont tournés vers l'ordinateur pour créer des modèles de la façon dont les choses étranges pourraient être organisées. Ils ont fait des suppositions éclairées sur la quantité de matière baryonique et noire pouvant exister dans l'univers, puis laissez l'ordinateur dessiner une carte basée sur les informations. Les simulations ont montré que la matière noire était un matériau en forme de toile entrelacé avec de la matière visible régulière. À certains endroits, la matière noire a fusionné en morceaux. Dans d'autres endroits, il s'est allongé pour former longtemps, filaments filandreux sur lesquels les galaxies semblent enchevêtrées, comme des insectes pris dans la soie d'araignée. D'après l'ordinateur, la matière noire pourrait être partout, liant l'univers ensemble comme une sorte de tissu conjonctif invisible.
Depuis, les astronomes ont travaillé avec diligence pour créer une carte similaire de la matière noire basée sur l'observation directe. Et ils ont utilisé l'un des mêmes outils - la lentille gravitationnelle - qui a aidé à prouver l'existence de la matière noire en premier lieu. En étudiant les effets de courbure de la lumière des amas de galaxies et en combinant les données avec des mesures optiques, ils ont pu « voir » le matériel invisible et ont commencé à assembler des cartes précises.
Dans certains cas, les astronomes cartographient des amas uniques. Par exemple, en 2011, deux équipes ont utilisé les données de l'observatoire à rayons X de Chandra et d'autres instruments tels que le télescope spatial Hubble pour cartographier la distribution de la matière noire dans un amas de galaxies connu sous le nom d'Abell 383, qui est situé à environ 2,3 milliards d'années-lumière de la Terre. Les deux équipes sont arrivées à la même conclusion :la matière noire de l'amas n'est pas sphérique mais ovoïde, comme un football américain, orienté avec une extrémité pointant vers les observateurs. Les chercheurs n'étaient pas d'accord, cependant, sur la densité de la matière noire à travers Abell 383. Une équipe a calculé que la matière noire augmentait vers le centre de l'amas, tandis que l'autre mesurait moins de matière noire au centre. Même avec ces écarts, les efforts indépendants ont prouvé que la matière noire pouvait être détectée et cartographiée avec succès.
En janvier 2012, une équipe internationale de chercheurs a publié les résultats d'un projet encore plus ambitieux. À l'aide de la caméra de 340 mégapixels du télescope Canada-France-Hawaï (CFHT) sur le mont Mauna Kea à Hawaï, les scientifiques ont étudié les effets de lentille gravitationnelle de 10 millions de galaxies dans quatre régions différentes du ciel sur une période de cinq ans. Quand ils ont tout cousu ensemble, ils avaient une image de matière noire regardant à travers 1 milliard d'années-lumière d'espace - la plus grande carte de la substance invisible produite à ce jour. Leur produit fini ressemblait aux simulations informatiques précédentes et révélait un vaste réseau de matière noire s'étendant à travers l'espace et se mélangeant à la matière normale que nous connaissons depuis des siècles.
Sur la base des preuves, la plupart des astronomes s'accordent à dire que la matière noire existe. Au-delà de ça, ils ont plus de questions que de réponses. La plus grande question, osons dire l'un des plus grands de toute la cosmologie, se concentre sur la nature exacte de la matière noire. Est-ce un exotique, type de matière non découvert, ou est-ce une matière ordinaire que nous avons du mal à observer ?
Cette dernière possibilité semble peu probable, mais les astronomes ont envisagé quelques candidats, qu'ils appellent MACHO , ou objets de halo compacts massifs . Les MACHO sont de gros objets qui résident dans les halos des galaxies mais échappent à la détection car ils ont une luminosité si faible. De tels objets incluent des naines brunes, des naines blanches extrêmement sombres, étoiles à neutrons et même des trous noirs. Les MACHO contribuent probablement quelque peu au mystère de la matière noire, mais il n'y en a tout simplement pas assez pour rendre compte de toute la matière noire dans une seule galaxie ou un seul amas de galaxies.
Les astronomes pensent qu'il est plus probable que la matière noire consiste en un tout nouveau type de matière construit à partir d'un nouveau type de particule élémentaire. En premier, ils considéraient neutrinos , particules fondamentales postulées pour la première fois dans les années 1930 puis découvertes dans les années 1950, mais parce qu'ils ont si peu de masse, les scientifiques doutent qu'ils fabriquent beaucoup de matière noire. D'autres candidats sont des inventions de l'imagination scientifique. Ils sont connus comme WIMPs (pour particules massives interagissant faiblement ), et s'ils existent, ces particules ont des masses des dizaines ou des centaines de fois supérieures à celle d'un proton mais interagissent si faiblement avec la matière ordinaire qu'elles sont difficiles à détecter. Les WIMPs peuvent inclure n'importe quel nombre de particules étranges, tel que:
Les scientifiques du monde entier continuent de chasser agressivement ces particules. L'un de leurs laboratoires les plus importants, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), se trouve profondément sous terre dans un tunnel circulaire de 16,5 milles de long qui traverse la frontière franco-suisse. A l'intérieur du tunnel, les champs électriques accélèrent deux faisceaux remplis de protons à des vitesses absurdes, puis leur permettent d'entrer en collision, qui libère un jet complexe de particules. Le but des expériences LHC n'est pas de produire directement des WIMPs, mais pour produire d'autres particules qui pourraient se désintégrer en matière noire. Ce processus de décomposition, bien que quasi instantané, permettrait aux scientifiques de suivre les changements de quantité de mouvement et d'énergie qui fourniraient une preuve indirecte d'une toute nouvelle particule.
D'autres expériences impliquent des détecteurs souterrains dans l'espoir d'enregistrer des particules de matière noire passant par et à travers la Terre (voir encadré).
Enterré dans le MinnesotaSi les galaxies lointaines se trouvent généralement dans un linceul de matière noire, alors la Voie Lactée peut, trop. Et si c'est le cas, alors la Terre doit traverser une mer de particules de matière noire en orbite autour du soleil, et le soleil fait le tour de la galaxie. Pour détecter ces particules, l'équipe de recherche cryogénique de la matière noire (CDMS) a enterré un ensemble de cellules de germanium profondément sous le sol au Soudan, Minn. Si des particules de matière noire existent, ils devraient traverser la terre solide et frapper les noyaux des atomes de germanium, qui reculera et produira d'infimes quantités de chaleur et d'énergie. En 2010, l'équipe a signalé qu'elle avait détecté deux candidats WIMP frappant le réseau de cellules. Finalement, les scientifiques ont décidé que les résultats n'étaient pas statistiquement significatifs, mais c'était un autre indice alléchant dans la recherche de la substance la plus mystérieuse de l'univers.
Tout le monde n'est pas vendu sur la matière noire, pas de loin. Quelques astronomes pensent que les lois du mouvement et de la gravité, formulé par Newton et développé par Einstein, ont peut-être enfin rencontré leur match. Si c'est le cas, puis une modification de la gravité, pas une particule invisible, pourrait expliquer les effets attribués à la matière noire.
Dans les années 1980, le physicien Mordehai Milgrom a suggéré que la deuxième loi du mouvement de Newton (force =masse x accélération, f =ma) doit être réexaminé dans les cas de mouvements galactiques. Son idée de base était qu'à de très faibles accélérations, correspondant à de grandes distances, la deuxième loi s'effondre. Pour que cela fonctionne mieux, il a ajouté une nouvelle constante mathématique dans la célèbre loi de Newton, appeler la modification MOND , ou Dynamique Newtonienne modifiée . Parce que Milgrom a développé MOND comme une solution à un problème spécifique, pas comme un principe de physique fondamental, de nombreux astronomes et physiciens ont crié au scandale.
Aussi, MOND ne peut pas expliquer la présence de matière noire découverte par d'autres techniques qui n'impliquent pas la deuxième loi de Newton, comme l'astronomie aux rayons X et les lentilles gravitationnelles. Une révision de 2004 de MOND, connu comme TeVeS ( Gravité Tensor-Vecteur-Scalaire ), introduit trois champs différents dans l'espace-temps pour remplacer le seul champ gravitationnel. Parce que TeVeS intègre la relativité, il peut s'adapter à des phénomènes tels que la lentille. Mais cela n'a pas réglé le débat. En 2007, les physiciens ont testé la deuxième loi de Newton jusqu'à des accélérations aussi faibles que 5 x 10 -14 Mme 2 et a signalé que f =ma est vrai sans aucune modification nécessaire (voir American Institute of Physics News Update :"Newton's Second Law of Motion, " 11 avril 2007), rendant MOND encore moins attrayant.
D'autres alternatives encore considèrent la matière noire comme une illusion résultant de la physique quantique. En 2011, Dragan Hajdukovic de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) a proposé que l'espace vide soit rempli de particules de matière et d'antimatière qui ne sont pas seulement des opposés électriques, mais aussi des contraires gravitationnels. Avec différentes charges gravitationnelles, les particules de matière et d'antimatière formeraient des dipôles de gravitation dans l'espace. Si ces dipôles se formaient près d'une galaxie - un objet avec un champ gravitationnel massif - les dipôles gravitationnels se polariseraient et renforceraient le champ gravitationnel de la galaxie. Cela expliquerait les effets gravitationnels de la matière noire sans nécessiter aucune forme de matière nouvelle ou exotique.
Selon cette chronologie de la NASA, l'expansion de l'univers s'accélère. Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA Si la matière noire agit comme de la colle cosmique, les astronomes doivent être capables d'expliquer son existence en fonction de la théorie dominante de la formation de l'univers. La théorie du big bang affirme que l'univers primitif a subi une énorme expansion et est toujours en expansion aujourd'hui. Pour que la gravité rassemble les galaxies en parois ou en filaments, il doit rester de grandes quantités de masse du big bang, masse particulièrement invisible sous forme de matière noire. En réalité, des simulations sur ordinateur de la formation de l'univers montrent que les galaxies, des amas galactiques et des structures plus grandes peuvent éventuellement se former à partir d'agrégats de matière noire dans l'univers primitif.
En plus de structurer l'univers, la matière noire peut jouer un rôle dans son destin. L'univers est en expansion, mais va-t-il s'étendre pour toujours? La gravité déterminera finalement le sort de l'expansion, et la gravité dépend de la masse de l'univers; Plus précisément, il y a une densité critique de masse dans l'univers de 10 -29 g/cm 3 (équivalent à quelques atomes d'hydrogène dans une cabine téléphonique) qui détermine ce qui pourrait arriver.
Les mesures de densité de masse doivent inclure à la fois la matière claire et la matière noire. Donc, il est important de savoir combien de matière noire existe dans l'univers.
Des observations récentes des mouvements de supernovae distantes suggèrent que le taux d'expansion de l'univers s'accélère en fait. Cela ouvre une quatrième possibilité, un univers qui s'accélère, dans lequel toutes les galaxies s'éloigneront les unes des autres relativement rapidement et l'univers deviendra froid et sombre (plus vite que dans l'univers ouvert, mais toujours de l'ordre de dizaines de milliards d'années). Les causes de cette accélération sont inconnues, mais cela a été appelé énergie noire. Énergie noire est encore plus mystérieux que la matière noire - et juste un autre exemple de l'obscurité de l'astronomie à la périphérie de la ville. Peut-être l'univers, comme le suggère Springsteen, portera longtemps ses secrets, Longtemps:
Tout le monde a un secret, Fiston, Quelque chose qu'ils ne peuvent tout simplement pas affronter, Certaines personnes passent toute leur vie à essayer de le garder, Ils l'emportent avec eux à chaque pas qu'ils font.
Publié à l'origine :4 sept. 2007
