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La matière noire

Publié le 5 mai 2017

La matière noire est un sujet qui fascine par son côté obscur. Comme elle échappe à la détection, on ne sait pas si elle existe… c’est une traque de longue date qui stimule chercheurs et ingénieurs pour trouver sa trace expérimentale et prouver son existence. Elle expliquerait pourquoi notre Univers se compose de galaxies, d’amas de galaxies mais aussi de vides immenses. Cependant, si on ne la détectait pas, il faudrait revoir la théorie de la gravitation d’Einstein.

​Qu’est-ce que la matière noire ?

Notre Univers se compose de matière dite « ordinaire » qui va constituer tout ce qui nous entoure comme les atomes de notre corps, les étoiles ou les planètes. Afin d’expliquer certaines observations du cosmos, il existerait une autre matière, appelée matière noire, car elle ne rayonne pas dans l’Univers, ne réfléchit ni n’émet la lumière (n’interagit pas avec la force électromagnétique).

Elle serait apparue en même temps que la matière ordinaire après le big-bang, il y a 13,7 milliards d’années. Interagissant faiblement avec la matière ordinaire, elle échappe encore aux outils de détection.


VidéoHistoire de l'univers


A la différence de la matière ordinaire qui est sensible aux quatre interactions fondamentales : les forces nucléaires faible et forte, l’électromagnétisme et la gravitation, la matière noire ressentirait la force de gravitation et aussi, selon certains modèles, la force nucléaire faible.


Pourquoi la matière noire est-elle
difficilement détectable ?


La matière noire n’a pas encore été détectée aujourd’hui parce qu’elle traverserait la matière ordinaire sans réagir avec elle ni par interaction forte ni par interaction électromagnétique. Il existe cependant des candidats de particules de matière noire qui pourraient interagir avec les noyaux par interaction faible.


De quoi la matière noire serait-elle constituée ?

Plusieurs modèles scientifiques existent pour tenter de caractériser les propriétés de la matière noire. L’un des plus avancés est celui des « wimps » (Weakly Interacting Massive Particles).

Selon ce modèle, la matière noire serait constituée de particules massives, donc sensibles à la gravitation, qui interagiraient aussi faiblement avec la matière ordinaire via la force nucléaire faible. La masse d’une particule de cette matière serait de 1 à 100 000 fois plus importante que celle d’un proton par exemple.

Quels sont les indices de l’existence de la matière noire ?

Par déformation de l’espace, les astrophysiciens observent des « empreintes » où la matière noire serait présente. Deux indices montreraient l’existence de la matière noire dans l’Univers.

Indice n°1 : La lentille gravitationnelle ou le mirage gravitationnel

Selon la théorie de la relativité générale, les objets massifs déforment l’espace ; les rayons lumineux sont déviés. L’image d’une étoile située derrière un objet massif (appelé lentille), tel qu’un trou noir ou un amas de galaxies, nous parvient déformée. C’est l’effet de lentille gravitationnelle.

En étudiant cette déformation, les chercheurs peuvent déduire la masse totale de la lentille. En considérant la masse de matière ordinaire de celle-ci, on ne reproduit pas la déformation. C’est un indice de l’existence d’une masse supplémentaire : la matière noire.



VidéoMirages gravitationnels


Indice n°2 : La vitesse de rotation des étoiles dans une galaxie

Simulation de la galaxie spirale NGC 4725.
Simulation de la galaxie spirale NGC 4725. © M. Pugh

Les galaxies tournent sur elles-mêmes. Les étoiles qui les composent sont soumises à deux forces à l’équilibre : la gravitation qui les attire vers le centre et la force centrifuge qui les repousse.

Plus la distance par rapport  au centre de la galaxie augmente, plus la gravitation faiblit ; la force centrifuge devrait aussi diminuer pour conserver l’équilibre afin que les étoiles restent dans la galaxie. Les chercheurs s’attendaient  à ce que les vitesses orbitales des étoiles externes décroissent (courbe bleue). Mais la courbe réellement observée se stabilise (en rouge).

C’est dans les années 30 que Fritz Zwicky relève cette anomalie dans le mouvement des galaxies en observant un amas. Il imagine une masse manquante invisible qui agirait par gravitation pour garder tel quel l’amas.

Son intuition était bonne. Dans les années 70, Vera Rubin fait le même constat, mais à l’échelle des galaxies : les étoiles tournent trop vite. L’hypothèse de la matière noire revient.

Dans les années 80, l’observation du fond diffus cosmologique (image la plus ancienne de notre Univers) montre que la densité de matière visible n’est pas suffisante pour former les grandes structures de l’Univers. La question de la matière noire s’impose. 

Comment rechercher une matière
si elle est indétectable ?

Pour découvrir la matière noire, les scientifiques ont trois stratégies possibles : détecter l’effet qu’elle induit sur la matière ordinaire, la produire par l’énergie dégagée lors de la collision de protons de haute énergie, ou encore observer les produits de l’annihilation de deux particules de matière noire qui se produit dans le cosmos.


Détecter la matière noire

Lorsqu’une particule de matière noire frappe un noyau de matière ordinaire, elle pourrait provoquer un recul de celui-ci. Détecter cet infime mouvement permettrait de signer son passage.

Pour être sûr de capter des événements si ténus, les détecteurs doivent être conçus dans un matériau très peu radioactif et protégés des radiations parasites afin de minimiser le bruit de fond qui cacherait le signal recherché.

Ceux de l’expérience Edelweiss sont donc abrités dans le laboratoire souterrain de Modane en France, à 1 700 mètres sous la montagne. Depuis sa création, l’expérience n’a détecté que des événements de bruit de fond et aucun signal compatible avec le passage d’une particule de matière noire. L’expérience continue à guetter une interaction qui prouverait leur existence.

Mais cette méthode directe ne permettra pas à elle seule de dresser la carte d’identité complète de ces particules. Pour cela, il faut les créer en laboratoire, notamment avec les expériences en cours au LHC (Large Hadron Collider, accélérateur de particules du Cern, à Genève en Suisse).

Produire de la matière noire

Il parait surprenant de dire que l’on peut produire de la matière. L’équation d’Einstein « E=mc² » montre qu’il est possible de créer de la matière (m) à partir d’énergie (E). C’est ce qui se serait passé lors du Big Bang où de l’énergie est devenue la matière de notre Univers.

Le LHC est une infrastructure scientifique où ont lieu des collisions de protons de très hautes énergies. L’énergie atteinte lors de la collision permet de créer des particules de très grandes masses dont théoriquement des particules de matière noire. Ces dernières ne laisseront pas de traces dans les détecteurs.  Dans le bilan d’énergie de chaque collision de protons, les chercheurs vont voir s’il manque de l’énergie. Si c'est le cas, cette perte d’énergie pourrait être affectée à la création de ces particules. C’est cette technique d’énergie manquante après la collision qui signerait la création d’un wimp. Cependant, depuis le début du LHC en 2009, aucun candidat n’a été trouvé.

La montée en énergie et en puissance du LHC va permettre de produire des particules de plus en plus massives et augmenter les probabilités de détection des événements rares, telle la matière noire. Si des particules de matière noire sont créées en laboratoire, encore faudra-t-il prouver qu’elles existent aussi dans l’Univers... et donc en trouver dans le cosmos à l’aide de télescopes.

Observer de la matière noire

Lorsqu’une particule et son antiparticule entrent en collision, on dit qu’elles s’annihilent. L’énergie de cette collision va créer de nouvelles particules. L’annihilation de deux particules de matière noire produirait des particules ordinaires détectables dont des photons de hautes énergies appelés rayons gamma. Ceux-ci sont particulièrement intéressants car ils se propagent en ligne droite, ce qui permet aux chercheurs de remonter à leur source. Lorsque ces rayons gamma atteignent l’atmosphère terrestre, ils interagissent avec les atomes de l’atmosphère et produisent une gerbe de particules secondaires, qui émettent un flash très ténu de lumière bleutée, la lumière Tcherenkov. C’est cette lumière, quasi-visible, qui est décelée par les télescopes au sol (comme l’expérience H.E.S.S. : High Energy Stereoscopic System) ou par les satellites dans l’espace (comme l’expérience Fermi).

En théorie, d’importantes densités de matière noire sont concentrées au centre des galaxies. C’est donc en direction du centre de la Voie lactée que les physiciens pointent leurs télescopes. Le signal attendu est beaucoup plus fort que celui en provenance des galaxies naines satellites, surveillées depuis l’espace.


Quels enjeux autour de la matière noire ?

La cosmologie est la science qui vise à expliquer la naissance et l’évolution de l’Univers en une théorie avec un minimum de paramètres. Dans le cadre de la théorie de la gravitation d’Einstein, un des paramètres est la matière, incluant la matière noire, qui jouerait un rôle essentiel dans la création des grandes structures (le squelette de l’Univers).

Pour le moment aucune expérience - que ce soit en laboratoire ou en observant le cosmos - n’a encore prouvé l’existence de particules de matière noire mais, si elles existent, elles ne pourront pas éternellement échapper à la détection.

D’autres théories de la gravité cherchent à comprendre les observations sans postuler l’existence de matière noire. Pour arriver à reproduire les observations telles que les lentilles gravitationnelles par exemple, les théoriciens modifient les équations liées à la gravitation.



NOTIONS CLÉS

  • La matière ordinaire
    compose tout ce qui nous entoure, comme les atomes de notre corps, les étoiles ou les planètes. Selon ses propriétés, de charge électrique, de masse, et bien d’autres se rapportant à sa nature quantique, elle peut interagir avec les quatre interactions fondamentales.

  • La matière noire
    est une matière hypothétique qui ressentirait la gravitation et n’interagirait que par interaction faible avec la matière ordinaire.


 
  • L'antimatière :
    A chaque particule correspond une antiparticule. Leurs propriétés sont quasiment identiques. Une particule et son antiparticule ont la même masse, mais des charges électriques opposées.



Les quatre
interactions
fondamentales


Les lois fondamentales de l’Univers reposent sur quatre forces :

  • La gravitation (gravité, pesanteur, système solaire, galaxie…)
  • l’interaction faible (processus radioactifs qui transforment un proton en neutron et réciproquement)
  • l’interaction forte (force qui, entre autres, lie les protons et neutrons qui composent les noyaux des atomes)
  • linteraction électromagnétique (électricité, magnétisme, cohésion des atomes et des molécules)


Animationenigme de la matiere noireAfficher en plein écran











Vue d’artiste des anneaux d’Einstein sur la constellation Ursa Major
Vue d’artiste des anneaux d’Einstein sur la constellation Ursa Major. © X-ray - NASA/CXC/J. Irwin et al.










































Image du fond diffus cosmologique.
Image du fond diffus cosmologique.














VidéoMatière noire : Emmanuel Moulin



Montage d’un détecteur de l’expérience Edelweiss. © JJ. Bigot/CEA





Travaux sur le détecteur CMS. © P. Stroppa





Les 5 télescopes de l’observatoire H.E.S.S sur les hauts plateaux Khomas en Namibie. © C. Medina


Effet Tcherenkov