Lénigme de la matière noire Alain Bouquet. Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière...

L’énigme de la matière noireL’énigme de la matière noire

Alain Bouquet

Alain Bouquet CNRS & Paris7

L’énigme de la matière noire 2/48

L’âge d’or de la cosmologieL’âge d’or de la cosmologie

• Les données viennent de sources de plus en plus variées

• Elles sont de plus en plus précises • Elles confirment la théorie du big bang

– Dans les grandes lignes– Dans les détails

XMM



Matière noire 25%

Mais la composition est inattendueMais la composition est inattendue

Gaz chaud 4%

Etoiles & planètes 0.5%

Neutrinos 0,5%

Lumière 0,05%

Energie noire 70%



Les échelles Les échelles dans l’universdans l’univers

© Jacques Colin (OCA)



La matière noire La matière noire dans l’universdans l’univers


Plus l’échelle est grande, plus la matière noire est dominante

La masse de matière noire est 50 fois plus importante que celle de toutes les étoiles



95% d’inconnu, est-ce raisonnable?95% d’inconnu, est-ce raisonnable?

• Rien n’interdit que la matière connue soit minoritaire

– la Terre n’est pas un lieu privilégié dans l’univers

– ni le Soleil– ni la Voie lactée

• Les autres prédictions de la théorie du big bang se sont vérifiées

• Pourquoi pas celle-ci ?

• Aucune indication directe– ni de la matière noire– ni de l’énergie noire

• Toujours via des effets gravitationnels sur la matière visible

• Comprenons-nous réellement si bien la gravitation ?

Oui !Oui ! Non !Non !



Energie noire et matière noireEnergie noire et matière noire

Energie noire

– 70% du bilan énergétique

– répartie de façon extrêmement uniforme dans l’univers

– propriétés opposées à celles de la matière ordinaire (répulsion gravitationnelle)

– ressemble beaucoup à la constante cosmologique d’Einstein

Matière noire

– 25% du bilan énergétique

– répartie à peu près comme les

étoiles, mais en plus diffus

– propriétés analogues à la matière ordinaire, quoique elle interagisse moins

– longue liste de candidats rejetés

– liste encore plus longue de candidats imaginés



La matière noireLa matière noire

• Zwicky annonce en 1933 que la masse totale de l’amas de galaxies de Coma est 100 à 500 fois supérieure à la somme des masses des galaxies

• Zwicky est connu pour– son caractère épouvantable– ses idées farfelues comme

• l’existence de supernovae• l’existence d’étoiles à neutrons• …

• Il est donc normal que presque personne ne s’y intéresse pendant près de 50 ans



Un peu d’histoireUn peu d’histoire

• Les premières réactions furent mitigées :

• La situation se modifie vers 1970– Théorie du big bang acceptée– Détecteurs électroniques– Satellites d’observation X et radio

• Les courbes de rotation de galaxies sont de plus en plus nombreuses, de plus en plus détaillées

• La dynamique des amas de galaxies se précise, et elle est confirmée par l’observation d’un intense rayonnement X, puis par la découverte de distorsions gravitationnelles de la lumière (arcs)

• La cosmologie du big bang se confirme, le mécanisme de formation des galaxies par instabilité gravitationnelle est mis au point, mais les observations du rayonnement cosmologique ne le permettent que s’il y a 10 à 50 fois plus de matière noire que de matière lumineuse



Tournez manègeTournez manège

La vitesse de rotation dépend de la masse qui attire, et de la distance de cette masse

Vitesse 30 km/s

Distance 150 M km

Masse = Distance x (Vitesse)2 /G = 1Msol



Les étoiles d’une galaxieLes étoiles d’une galaxie

Rotation autour du centre

Vitesse 200 km/s

Distance 30 000 a.l.

Masse = Distance x (Vitesse)2 /G = 100 milliards Msol



Courbes de rotationCourbes de rotation



Un noyau dans un coconUn noyau dans un cocon

En fait, une galaxie, ce n’est pas cela :

C’est cela :



Quelle est la nature de la matière noire?Quelle est la nature de la matière noire?

• De la matière « normale » mais obscure?

– poussières?– planètes, astéroïdes?– étoiles noires, brunes, blanches?– trous noirs stellaires?– trous noirs géants?

• Neutrinos?

• Un nouveau type de particule élémentaire stable?

– très légère et très abondante?– très lourde et très rare?

Machos

Axions

Mauviettes (wimps)



ConspirationConspiration

Identité de nature ?

MACHOS ??

Disque dominant (étoiles, matière « ordinaire »)

Halo dominant (matière « noire »)



Les machosLes machos

• Comment détecter un objet qui n’est pas lumineux?

• Via un effet gravitationnel !

• 1986 : Bohdan Paczynski montre que le passage d’un MACHO devant une étoile en amplifie passagèrement la luminosité

• Si le halo est plein de MACHOS, à chaque instant une étoile sur 10 millions est amplifiée de 10% (ce qui est détectable)

Bohdan Paczynski n’est pas un MACHO !



Une masse dévie la lumièreUne masse dévie la lumière



Le Grand Nuage de MagellanLe Grand Nuage de MagellanGalaxie irrégulière satellite de la Voie lactée

Il suffit de :• prendre une image chaque nuit• mesurer la luminosité de chacune des 10 millions d’étoiles résolues• comparer avec la luminosité de la veille, et des jours précédents• repérer les variations• ne pas confondre avec une étoile intrinsèquement variable

Les collaborations MACHO et EROS ont patiemment fait cela de 1992 à 2002



Echec !Echec !

Moins de 15% du halo de la Voie lactée est formé de MACHOS

De nombreux effets d’amplification gravitationnelle observés, mais aucun attribuable à un MACHO

La voie est libre pour les MAUVIETTES



Les mauviettesLes mauviettes

Revenons donc à la possibilité d’une nouvelle particule

Certes mais laquelle ?

Les théoriciens ne manquent pas d’imagination

Les expérimentateurs non plus d’ailleurs, mais pour le moment sans succès

Une sorte de neutrino lourd ferait bien l’affaire : un neutralinoCe serait un WIMP (weakly interacting massive particle) …mais wimp = mauviette



Recherches directesRecherches directes• Une « mauviette » venue du

halo cogne un noyau dans un cristal

• Le choc est détecté

• Difficulté: rayons cosmiques et radioactivité font pareil

• Donc on s’enterre• On blinde le détecteur• On le refroidit vers -270°C• On élimine les parasites

• On attend patiemment………



Pour le moment, l’attente continuePour le moment, l’attente continue

© Leszek Roszkowski

Ceux-ci ont annoncé une détection, mais personne n’y croit car des expériences plus sensibles n’observent rien

Zone attendue par les théoriciens



Recherches indirectesRecherches indirectesDans bien des modèles, une mauviette et une anti-mauviette, c’est pareil

Si le halo est plein de mauviettes, elles doivent donc s’annihiler fréquemment

Le résultat de ces annihilations pourrait être une paire de rayons gamma, « facile » à détecter du sol

Deux des quatre télescopes à rayons gamma de HESS, en Namibie

Ou des neutrinos, plus difficiles à détecter, mais des expériences sont en cours, au fond de la Méditerranée (Antarès) ou dans les glaces du pole Sud (Amanda)

ou de l’espace (Integral, Glast plus tard…)



Modifier Newton et sa Dynamique ?Modifier Newton et sa Dynamique ?Le problème de la matière noire vient du désaccord entre la quantité de matière lumineuse, que l’on « voit », et celle que l’on calcule à partir des mouvements de cette dernière en appliquant les lois de Newton

Rien ne garantit que celles-ci soient correctes en dehors du domaine où elles sont bien vérifiées, le Système solaire

En 1983, Mordehai Milgrom (Institut Weizmann) propose une légère modification de la relation F = m a (entre force et accélération)

F = ma2/a0 quand a < a0 (et bien entendu F = ma quand a > a0)

Cela « marche » admirablement bien



Modifier Newton (MOND)Modifier Newton (MOND)

© Mordehai Milgrom

Inconvénients : modèle ad hoc, et qui ne fonctionne pas au-delà des galaxies (controversé)



Univers parallèles?Univers parallèles?• Une idée souvent avancée

• Plus difficile à quantifier

• Encore plus à soumettre à l’expérience !

• Pour unifier gravitation et interactions électromagnétique et nucléaires, la théorie des cordes exige un espace à plus de trois dimensions

• Il est possible que la matière et la lumière soient confinées dans trois dimensions (une brane), alors que la gravitation pourrait « sentir » les autres dimensions, et donc la matière s’y trouvant



Méditons sur les mystères de l’universMéditons sur les mystères de l’univers



Les amas de galaxiesLes amas de galaxies

Amas de galaxies de Coma

• ~2000 galaxies

• formant un essaim

• tournoyant à 300 km/s

• dans un rayon de qq M a.l.

• à 150 M a.l. de nous



Un homme très dynamiqueUn homme très dynamique

• Zwicky mesure les vitesses de quelques galaxies de Coma

Energie cinétique ~ Masse x (Vitesse)2

• Ainsi que leurs distances mutuellesEnergie potentielle ~ (Masse)2/Distance

• Equilibre dynamiqueEn. potentielle ~ En. Cinétique

• Donc Masse ~ Distance x (Vitesse)2

• Il trouve ainsi 100 à 500 fois plus de masse que son estimation de la masse totale des galaxies de l’amas



La dynamique des amasLa dynamique des amasPendant 50 ans, Zwicky n’est pas pris au sérieux

La conclusion majoritaire est alors que, si les galaxies vont aussi vite, les amas sont des rassemblements éphémères

Il pourrait d’ailleurs s’agir des « nurseries » de galaxies, imaginées dans la théorie de l’Etat stationnaire, alors rivale de celle du Big bang

Et de nouvelles mesures des distances ramènent le désaccord à un facteur 20 à 100

Mais le désaccord persiste !

Dans les années 1980, deux indications indépendantes le confirment• l’intense émission de rayons X par les amas• la déviation des rayons lumineux par les amas (arcs et arclets)



Les amas aux rayons XLes amas aux rayons X

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)

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Amas Abell 2029 en optique : les galaxies

DSS

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)


Amas Abell 2029 en rayons X : le gaz chaud

Chandra



Bien plus de gaz que d’étoilesBien plus de gaz que d’étoiles

et bien plus de matière noire que de gazet bien plus de matière noire que de gaz

Etoiles

Gaz chaud

Masse totaleMasse

109

1010

1011

1012

1013

1014

Taille

10 100 10001 kpc

Centre d’une galaxie

Galaxie (visible)

Distance entre deux galaxies

Taille d’un amas



Lentilles gravitationnellesLentilles gravitationnelles

Am

as d

e ga

laxi

es A

bell

1689

(H

ST

)



Lentilles gravitationnellesLentilles gravitationnelles




Distorsion gravitationnelleDistorsion gravitationnelle

L’espace est plein de galaxies de toutes tailles, formes et orientations

La masse d’un amas en avant-plan déforme les images des galaxies d’arrière-plan

©Yannick Mellier (IAP)



Cisaillement gravitationnelCisaillement gravitationnel

© Stéphane Colombi (IAP)

L’analyse statistique de la formedes galaxies permet de reconstituerune carte en 3 dimensions de la matière noire



Cisaillement gravitationnelCisaillement gravitationnelL’analyse statistique de la forme et de l’orientation des galaxies permet de reconstituer la carte sous-jacente de la matière noire

© A

lexa

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ier

(CE

A)



CosmologieCosmologie

Une troisième série d’arguments, cosmologiques cette fois, indique la présence de matière noire

Courbure spatiale nulle,

matière +énergie

noire = 100%

Formation des

galaxies

Comptage des

galaxies



Masse et énergie déforment l’espace et le temps

Courbure = densité d’énergie

Courbure = courbure spatiale + courbure temporelle (expansion)

La relativité générale est un jeu d’enfantLa relativité générale est un jeu d’enfant



Triangle cosmiqueTriangle cosmique

Rayonnement cosmologique

Supernovae

Amas et galaxies

Ene

rgie

de

la m

atiè

re (E

=mc

2 )

Energie noire ou constante cosmologique

Courbure de l’espace

Courbure nulle

Energie noire 70%

Matière 30%



Fond de rayonnement cosmologiqueFond de rayonnement cosmologique

Chaque tache indique une fluctuation de densité de l’ordre de quelques cent-millièmes



Formation des galaxies et des étoilesFormation des galaxies et des étoiles

• Si l’univers est homogène mais pas trop

– les inhomogénéités vont s’accentuer et la matière se concentrer de plus en plus

– les étoiles et les galaxies peuvent ainsi apparaître peu à peu

– puis se forment les planètes, la vie…

QuickTime™ et undécompresseur Codec YUV420




Mais il faut de la matière noireMais il faut de la matière noire

• Les inhomogénéités ne dépassent pas 1/100 000 au départ

• La pression de rayonnement empêche la concentration pendant 400 000 ans

• Même ensuite, l’expansion de l’univers freine la concentration de la matière et la rend beaucoup plus difficile

• Il faut donc1) plus de matière2) une matière qui ne soit pas associée à la lumière3) une matière formée de particules assez lourdes pour ne pas aller trop loin et

effacer les structures sitôt amorcées

• Autrement dit de la matière noire « froide » comme nos « mauviettes » !



Chaud ou froid ?Chaud ou froid ?Simulation avec de la matière noire froide

Simulation avec de la matière noire chaude




La matière noire semble omniprésente à l’échelle des galaxies à l’échelle des amas de galaxies à l’échelle de tout l’univers visible

Elle suit la distribution de matière lumineusemais elle est moins concentrée (parce qu’elle interagit moins?)

Elle na pas été détectée autrement que par ses effets gravitationnels sur la matière lumineuse

Peut-être doit-on réexaminer la loi de la gravitation ?

Mais c’est toute l’architecture de la physique qui est alors à revoir !



MerciMerci

de votre attentionde votre attention

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