Qu'est-ce que la matière noire ?
La matière noire est une forme invisible de matière qui n'émet, n'absorbe ni ne reflète la lumière, mais elle exerce une attraction gravitationnelle sur les structures visibles telles que les galaxies et les amas de galaxies. Elle constitue environ 23 % du contenu massique-énergétique de l'Univers, contre 4,6 % pour la matière ordinaire (baryonique) et 72 % pour l'énergie sombre (NASA/WMAP).
Preuve de son existence
- Courbes de rotation galactique : Les observations des galaxies spirales montrent que les étoiles situées à leur périphérie orbitent à la même vitesse que les étoiles intérieures, ce qui implique un halo de masse caché (VeraRubin, années 1970).
- Dynamique des amas de galaxies : L'étude de FritzZwicky dans les années 1930 sur l'amas de Coma a révélé des vitesses de galaxie bien supérieures à ce que la masse visible pourrait expliquer.
- Gaz chauds en grappes : Les télescopes à rayons X (Chandra, XMM-Newton) détectent des quantités massives de gaz ionisé, mais la liaison gravitationnelle requise indique une masse supplémentaire invisible.
- Lentille gravitationnelle : La déviation de la lumière des objets d'arrière-plan par des amas massifs fournit des mesures de masse directes qui dépassent de loin la matière lumineuse (par exemple, Abell383).
Cartographie de la matière noire
Des simulations et des études d’observation à grande échelle (p. ex. CFHT, Hubble) révèlent un réseau cosmique de filaments de matière noire reliant les galaxies entre elles. Les cartes de lentilles haute résolution montrent les distributions de matière noire qui reflètent la structure visible à grande échelle.
Particules candidates
Bien que la matière ordinaire ne puisse pas expliquer la masse requise, plusieurs particules exotiques candidates sont à l'étude :
- WIMPs (particules massives à faible interaction) : Particules lourdes (10 à 100 × masse de protons) mais à interaction faible qui pourraient résulter de la supersymétrie.
- Axions : Particules ultralégères et neutres prédites par le mécanisme de Peccei-Quinn.
- Neutralinos et Photinos : Partenaires supersymétriques des neutrinos et des photons, respectivement.
- Autres MACHO : Objets au halo compacts et massifs tels que les naines brunes, les trous noirs et les étoiles à neutrons, bien que leur abondance soit insuffisante pour expliquer toute la matière noire.
Des expériences telles que le Grand collisionneur de hadrons, la recherche cryogénique de matière noire (CDMS) et les détecteurs à détection directe en champ profond continuent de rechercher ces particules.
Théories alternatives
Certains scientifiques proposent des modifications à la gravité au lieu de nouvelles particules :
- MOND (Dynamique newtonienne modifiée) : Modifie la deuxième loi de Newton à de très faibles accélérations.
- TeVeS (gravité tensor-vecteur-scalaire) : Une extension relativiste de MOND capable d'expliquer la lentille.
- Polarisation du vide quantique : Suggère que les dipôles matière-antimatière dans l'espace vide pourraient amplifier la gravité.
Impact cosmologique
La matière noire est essentielle à la formation de la structure cosmique. Son influence gravitationnelle façonne les galaxies, les amas et le réseau à grande échelle. Cela affecte également le taux d'expansion de l'Univers et son sort éventuel :il continuera à s'étendre, ralentira ou s'effondrera.
FAQ
De quoi est faite la matière noire ?
La plupart des astronomes privilégient une nouvelle particule élémentaire, probablement une WIMP, bien qu'aucune détection définitive n'existe encore.
Qui a découvert la matière noire ?
JanH.Oort (1932) a été le premier à remarquer la masse manquante dans la Voie lactée; FritzZwicky (1933) l'a confirmé dans l'amas de Coma.
Comment la matière noire a-t-elle été découverte ?
En observant des courbes de rotation plates inattendues dans les galaxies spirales et des vitesses élevées dans les amas de galaxies.
Qu'est-ce que l'énergie noire ?
Un phénomène distinct à l'origine de l'expansion accélérée de l'Univers, constituant environ 72 % de sa densité énergétique.
Où se trouve la matière noire ?
Il imprègne l'espace entre et à l'intérieur des galaxies, formant des halos étendus qui dominent le budget de masse.
Lectures complémentaires
Articles connexes
- « Les quasars illustrent les montagnes russes de l'énergie noire » – BBC News
- « La recherche de la matière noire » – Scientific American, 2003
- « Cartographie de l'univers » – Scientific American, 1999
Sources