La matière noire de lUnivers CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T1.

La matière noire de l’Univers

CNRS-IN2P3 et CEA-DSM-DAPNIA - T1

Matière noire,qu’est-ce que ça veut dire ?

• La matière que l’on ne voit pas, qui n’émet pas de lumière !

• … mais que l’on détecte quand même par ses effets gravitationnels.

Matièrepas sombre…Seulement 1% !

Matière sombre…


Les vitesses qu’il mesura étaient énormes.

L’amas de galaxies aurait dû se disperser depuis longtemps, sauf si les étoiles ne représentent pas plus de quelques pour cent de la masse de l'amas.

Dès le début des années 1930, Fritz Zwicky avait noté que les galaxies étaient souvent rassemblées en amas.

Dans le grand amas de Coma ci-contre, il mesura les vitesses des galaxies…


1930 : première découverte

QuickTime™ et undécompresseur Cinepak

sont requis pour visionner cette image.

Pourquoi a-t-il fallu attendre40 ans pour avancer ?

• Caractère difficile de Zwicky…• Manque de mesures dans les années

1930• Amas : hasard ou groupes de

galaxies liées par la gravitation ?

Et pourtant, Zwicky avait découvert les galaxies naines, prédit l'existence des quasars, des étoiles à neutrons, ou encore des supernovae.

Et il avait raison…


Années 70 : rotation des galaxies

Vit

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Les galaxies spirales, comme notre Voie Lactée, sont en rotation.

Surprise !La vitesse de rotation ne diminue pas quand on s’éloigne du cœur, mais reste pratiquement constante.

La matière doit s’étendre bien au-delà de la partie visible de la galaxie.

Matière cachée galactique


Elle pourrait s’étendre sur un rayon 5 fois supérieur au rayon observable de la galaxie.

Mais de quoi est-elle constituée :

- gaz ?- étoiles sombres ?- particules exotiques ?

Détecter la matière par effet de lentille gravitationnelle… (1)

Chemin de la lumière autour de la matière cachée

Galaxies telles que nous les voyons

Galaxieslointaines


Les masses courbent l’espace-temps… donc déforment les images de galaxies.

Cela permet de remonter aux masses, même cachées.

Détecter la matière par effet de lentille gravitationnelle… (2)


Entre nous et la galaxie “Anneau de fumée”, il y a tellement de matière cachée que l’on voit de multiples images de cette galaxie…

(I) Masse cachée intergalactique

Lentille gravitationnelleLa galaxie au centre courbe les rayons lumineux d’une galaxie lointaine et focalise une partie d’entre eux (cône mauve) sur la Terre. Pour un observateur sur la Terre, la lumière semble provenir d’un anneau.


En mesurant les déformations de l’image d’un grand nombre de galaxies, on peut déterminer avec précision la quantité de matière cachée entre nous et les galaxies observées.

QuickTime™ et undécompresseur Codec YUV420


(II) Étoiles sombres dans notre galaxie : microlentille

gravitationnelle…

• Une étoile a sur le ciel une image trop petite pour que l’on puisse mesurer sa déformation.

• Mais si un objet massif passe sur le chemin entre nous et l’étoile, la luminosité de l’étoile va augmenter.


• 10 ans de mesures• des millions d’étoiles observées dans les nuages de Magellan (SMC et LMC) Résultat : les étoiles sombres ne représentent pas plus de 10 à 15% de la masse cachée de notre galaxie.

Mais où est donc le reste de cette matière cachée ?


EROS (France)et MACHO (USA)

Une très grande fraction de matière cachée dans les amas de

galaxies…


Observations et simulations des amas de galaxies ont depuis quelques années une précision beaucoup plus grande.

Les simulations permettent de “jouer” avec un grand nombre d’amas de galaxies. Elles montrent qu’une très grande fraction de matière cachée ne peut être de la matière ordinaire.



Ces dernières années, la précision des simulations sur ordinateur de la structure de l’Univers s’est très fortement accrue.

De leur côté, les programmes d’observation de la structure de l’Univers ont eux aussi énormément gagné en précision.

Simulation de l’histoire d’un Univers sur le super-ordinateur du groupe VIRGO. Chaque point représente une galaxie.

Deux zones d’observation des galaxies. Chaque point représente une galaxie. Des zones n’ont pas de points car elles ne sont pas observées.

Nous


Peserl’Univers… (1)



Peser l’univers… (2)

• Pour quelqu’un qui pourrait voir le rayonnement infrarouge et radio, le ciel nocturne n’est pas noir : il montre l’Univers lorsqu’il était âgé d’environ 380 000 ans, époque où il est devenu transparent.

• L’aspect de cette image permet, en la comparant aux simulations sur ordinateur, de remonter à la densité de l’Univers.

Vision du ciel en rayonnement radio réalisée par le satellite WMAP en mars 2003.


• L’Univers est devenu transparent lorsque sa température est tombée en-dessous d’environ 3000 degrés, à l’âge de 380 000 ans. Avant cela, trop excités pour exister de façon stable, les atomes empêchaient la lumière de se propager.• Aujourd’hui, l’Univers a un rayon mille fois plus grand qu’à cette époque lointaine et sa température n’est plus celle d’une fournaise, mais seulement de 2,7 Kelvin.

Micro-ondes Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons Gamma

Longueur d’onde (m)

Batiments Humains ProtozoairesEpingle Molécules Atomes Noyaux atomiques


Température de l’Univers

Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur l’Univers…


L’image du rayonnement à 2,7 degrés réalisée par le satellite WMAP…

… comparée aux simulations par ordinateur,

conduit aux “mensurations” suivantes de l’Univers :

- Âge actuel: 13,7 milliards d’années (± 0,2 milliard)- Âge où il est devenu transparent : 380 000 ans- Densité/densité critique (effondrement) : 1,00 ±0,02- Fraction de matière ordinaire : 4% seulement !

Pas de la matière ordinaire,mais alors quoi ?

• Le neutrino ? Non, beaucoup trop léger.

• De nouvelles particules, les WIMPs prédites par les théories ?

(WIMP = particule massive interagissant faiblement)


Niveau du sol

Détecteurs

Protection

Détection des rayonscosmiques

Réfrigérateur

Détecter les WIMPs (1)

Cuivre

Détecter les WIMPs est très difficile, en raison de leur faible interaction avec la matière : moins d’un choc par mois et par kilogramme.

Limites à la détection :- rayonnement cosmique, - radioactivité induite par les rayons cosmiques et radioactivité naturelle.

nnn

..

L’expérience américaine CDMS a souffert du rayonnement cosmique. Elle utilise maintenant un site souterrain.


Détecter les WIMPs (2)


Pour améliorer la sensibilité des expériences, il faut :- se cacher sous une montagne pour se protéger des rayons cosmiques (100 par seconde traversent notre corps),- se protéger de la radioactivité naturelle des roches,- purifier les matériaux des détecteurs.

Son concurrent américain CDMS est abrité dans la mine de fer de Soudan (États-Unis).

L‘expérience française EDELWEISS est abritée sous plus de 1600 m de roche, dans les Alpes. Le laboratoire souterrain de

Modane. Moins d‘un millionième des rayons cosmique parviennent à l‘atteindre.


EDELWEISSet CDMS

Le détecteur d’EDELWEISS (1)

- élève un tout petit peu la température (1 millionième de degré !),

- engendre un signal électrique (quelques centaines d’électrons) trois fois plus petit que dans le cas de la radioactivité (pour une même énergie transmise au matériau du détecteur).


Détecteur d’EDELWEISS

Dans le détecteur d ’EDELWEISS, le choc d’un WIMP :

Le détecteur d’EDELWEISS (2)

Détecteur en germanium de l’expérience EDELWEISS.


Dans le détecteur : des matériaux extrêmement purs, une température d’un centième de degré absolu.

EDELWEISS commenceseulement à explorer ledomaine des WIMPs…

Surprise : la gravité répulsive !

La dernière explosion proche de supernova, dans le nuage de Magellan, a été observée en 1987


Les supernovae sont des explosions d’étoiles extrêmement violentes, visibles à plusieurs centaines de millions d’années-lumière elles peuvent servir d’étalon de lumière.

En les utilisant, on a découvert en 1998 que l’expansion de l’Univers s’accélère sous l’effet d’une gravité répulsive dans laquelle les 2/3 de l’énergie de l’Univers semblent résider.

Mais qu’est-ce que cette gravité répulsive ?

Finalement, la matière cachée ?

• Accroissement très important de la précision des mesures cosmologiques :

le problème de la matière cachée est bien réel !

• La matière ordinaire ne représente qu’une faible part (4% !) de la densité de l’Univers.

• Immense surprise de la gravité répulsive.

• Peut-être y a-t-il un aspect essentiel de l’Univers que nous n’avons pas compris.

• Énigme toujours pas résolue : à vos marques…


et la composition de l’Univers semble plus compliquée que nous ne le pensions.

La matière dont nous sommes formés est très loin d’être majoritaire…


Conclusion

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