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Des indices d’un secteur sombre dans l’Univers

Des indices d’un secteur sombre dans l’Univers

04.06.2018, par
Carte 3D représentant l'évolution de la répartition de la matière noire dans l'Univers
Carte 3D représentant l'évolution de la répartition de la matière noire depuis l'Univers primordial (à droite) jusqu'à nos jours (à gauche).
Bien qu’elles soient au cœur du modèle standard de la cosmologie, les hypothèses de la matière noire et de l’énergie sombre sont considérées par certains comme des « rustines » théoriques peu élégantes et dont l’existence n’a jamais été directement observée. Ces notions s’appuient toutefois sur un corpus cohérent et convergent d’observations indépendantes que toute théorie alternative se doit d’expliquer.

Cet article est paru sous forme d'infographie dans le numéro 4 de la revue Carnets de Science.

Violation apparente des lois de Newton

Dès les années 1930, en observant la vitesse de déplacement de galaxies de l’amas du Coma, Fritz Zwicky (1898-1974) a remarqué que la gravité exercée par la matière visible composant l’amas était normalement incapable de « retenir » ces galaxies. Le physicien suisse a alors postulé, dans l’indifférence générale, l’existence d’une matière sombre dont la masse était bien plus importante que celle de la matière visible. Il a fallu attendre les années 1970 et les travaux de Vera Rubin (1928-2016) pour que l’hypothèse de l’existence d’une matière noire s’impose à la majorité des astronomes. Étudiant la répartition des vitesses des étoiles de la galaxie Andromède, l’astronome constata qu’en violation apparente des lois de Newton – qui veulent qu’un corps tourne d’autant moins vite qu’il est éloigné du corps qui l’attire gravitationnellement –, ces étoiles tournaient toutes à la même vitesse, quelle que soit leur distance par rapport au centre de la galaxie. Pour expliquer ce phénomène sans remettre en question les lois de la gravité, on postule depuis l’existence d’une matière invisible répartie en halo autour des disques galactiques.

La courbure de l’espace-temps

La relativité générale prédit que la gravité ne se manifeste pas uniquement par l’attraction réciproque d’objets massifs, mais aussi par ses effets sur la lumière. En effet, plus la masse d’un corps est importante, plus celui-ci va courber le tissu de l’espace-temps environnant, plus il fera dévier le trajet des rayons lumineux émis par les étoiles et les galaxies situées derrière lui. Créant ainsi une image déformée de ces astres, comme le ferait une lentille optique : on parle donc de lentille gravitationnelle. Grâce aux équations de la relativité générale, il est ainsi possible de connaître la masse d’un objet à partir des déformations observées sur les objets à son arrière-plan. Dès les années 1980, en étudiant un étrange arc de lumière – image déformée d’une galaxie située à l’arrière de l’amas galactique Abell 370, distant de la Terre de 4 milliards d’années-lumière –, les astronomes ont pu calculer que la masse de l’amas était six fois plus importante que la masse de matière visible. C’est en multipliant ce type de calculs que les astrophysiciens ont pu établir une carte de la matière noire dans l’Univers.
 

Sur ce cliché pris par Hubble, les arcs lumineux, aussi appelés anneaux d'Einstein, résultent de la déviation des rayons lumineux par une masse importante qui agit comme une lentille gravitationnelle.
Sur ce cliché pris par Hubble, les arcs lumineux, aussi appelés anneaux d'Einstein, résultent de la déviation des rayons lumineux par une masse importante qui agit comme une lentille gravitationnelle.

Stabiliser les fluctuations de densité

On suppose que les grandes structures qui composent notre Univers sont issues de l’effondrement gravitationnel ­d’inhomogénéités de l’Univers primordial. Or à ses débuts, l’Univers était dominé par des radiations qui interagissaient si fortement avec la matière ordinaire qu’elles l’empêchaient de former la moindre structure pérenne. Les cartographies du fond diffus cosmologique (CMB) émis 377 000 ans après le Big Bang, établies par les satellites WMAP puis Planck, ont toutefois mis en évidence de très légères fluctuations de densité constituant les embryons des structures cosmiques actuelles.

Carte des variations de température du fond diffus cosmologique établie par le satellite Planck.
Carte des variations de température du fond diffus cosmologique établie par le satellite Planck.

Les calculs montrent néanmoins que si l’Univers est composé uniquement de matière visible, il ne s’est pas écoulé assez de temps depuis l’émission du CMB pour que l’effondrement de ces inhomogénéités ait pu conduire aux étoiles et aux galaxies. Il faut donc que l’Univers contienne un autre type de matière qui, insensible aux radiations, a pu commencer à s’effondrer gravitationnellement bien avant l’émission du CMB, « creusant » des puits de potentiel gravitationnel dans lesquels la matière normale va ensuite aller s’effondrer.

L’expansion de l’Univers s’accélère

Dès les années 1920, l’astronome Edwin Hubble (1889-1953) découvre l’expansion de l’Univers ainsi que la loi qui porte son nom. Cette loi établit que les galaxies lointaines s’éloignent de nous avec une vitesse qui augmente proportionnellement à leur distance.

Supernova de type Ia observée en 1994 dans la galaxie NGC 4526 par le télescope spatial Hubble.
Supernova de type Ia observée en 1994 dans la galaxie NGC 4526 par le télescope spatial Hubble.

À la fin des années 1990, afin de vérifier si cette relation de proportionnalité avait varié au cours du temps – si l’expansion de l’Univers ralentissait ou accélérait –, les astrophysiciens ont étudié les supernovae de type Ia. Ces explosions d’étoiles génèrent systématiquement la même luminosité ce qui permet donc d’évaluer très précisément leur distance et ainsi d’établir le taux d’expansion de l’Univers à différentes époques. On s’est alors aperçu qu’après avoir ralenti durant les 7,6 milliards d’années qui ont suivi le Big Bang, l’expansion de l’Univers a commencé à accélérer. Les chercheurs, qui s’attendaient à observer un ralentissement continu sous l’effet de la gravité ont alors dû postuler l’existence d’une énergie totalement inconnue et qui se comporte comme une sorte d’anti-gravité. Ils l’ont appelée l’énergie noire. ♦

Commentaires

5 commentaires

La cohérence des déductions ne suffit pas a valider les prémices d'une théorie. Et les limites actuelles sur les mesures des ondes gravitationnelles est aussi la limite pour observer directement la masse sans passer par la lumière en utilisant l équivalence masse-energie. Ne serait-il pas plus intéressant de continuer les recherches sur la compréhension et la meilleure détection des ondes gravitationnelles et ainsi observer directement la gravite et les masses pour en déduire indirectement des observations sur la lumière et l’énergie? Ou en sont les recherches sur la gravite? Si on reussit a decomposer la lumiere en spectre pour retrouver les differentes sources d emission ainsi que les milieux traverses, y a t il des spectres pour la gravite et ainsi retrouver les differents corps attracteur ainsi que les moments d'attractions?, Cordialement.

Bonjour Monsieur Vandamme, il pullule des milliers de blogs sur le net où des particuliers prétendent avoir découvert la réponse à la grande question sur la vie, l'univers et le reste. Mais le point se résume en fait à : avez-vous publié vos travaux dans une revue scientifique à comité de lecture ?

Monsieur Julien Geffray, Bonjour. Comme vous le savez, Nicolas Copernic, Galillée, Isaac Newton ou plus près de nous Albert Einstein ont fait connaître leurs travaux directement, en toute simplicité... Vous même simplement en lisant la dizaine de pages ci dessous indiquées saurez vite discerner l'intérêt (ou pas) de continuer à poursuivre la lecture du résultats de mon travail... que confirment tous les résultats expérimentaux les plus récents sur la matière/énergie (ordinaire ou sombre ou noire). Durant plus d’un siècle, l’ensemble des physiciens ont soutenu l’absurdité des espaces interstellaires ou galactiques « vide néant…déformable » : la plus belle imposture scientifique de tous les temps hélas érigée en tabou imposé à tous par les académiciens et les institutionnels de la recherche ! Alors bravo si, comme le dit l’article : « Tous » se réfugient derrière la matière noire qui formerait un rideau noire nous la masquant. Alors il faut revoir les pseudo théories du BB et du Modèle Standard us de la matière dont les bases (plus de 50 paramètres farfelus) ne permettront pas d’identifier cette matière dite noire qu’elles ont exclu ; ceci depuis les idées relativistes actuelles inconciliables avec les idées quantiques. Les expériences et moyens technologiques reposant sur des hypothèses fausses ne sont guère adaptées pour détecter la matière dite ‘noire’ du substrat cosmique, constitué de monades (en fait : particules sous atomiques, électroniques, sous photoniques, neutrinoïques,… toutes monadiques) dont les caractéristiques thermodynamiques le rendent translucide, tout simplement. Lien : http://jcvillame.free.fr/comm%207%20-%20structuration%20dans%20substrat.pdf spécifiquement en livret II, page 77. … Ou encore, pour le substrat cosmique résumé dans ce lien : http://jcvillame.free.fr/Suite%20n%B07%20-%20Monadie%20universelle%20-%20Veille%20scientifique%20partag%E9e%202014-2017.pdf - chapitre 13, pages 89 et 90…
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du journal CNRS