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Un Univers sans matière noire?

Un Univers sans matière noire?

04.06.2018, par
Vue allégorique de l’Univers et de la matière noire.
On pourrait résoudre d’un coup la double énigme de la matière noire et de l’énergie noire en admettant qu’il reste dans notre Univers de l’antimatière et qu’elle possède une masse négative. Une hypothèse audacieuse, mais qui devrait être bientôt testée. Les explications dans cet article paru dans le numéro 4 de la revue «Carnets de science».

Un peu plus d’un siècle après qu’Einstein a débarrassé la physique de l’hypothèse qu’une substance inconnue, l’éther, remplissait ­l’Espace, l’astro­physique et la cosmologie sont à nouveau confrontées à une curieuse énigme : notre Univers serait rempli à 95 % d’une matière noire et d’une énergie noire dont nul n’a su jusqu’ici expliquer ni l’origine ni la nature. Accepter l’existence d’un secteur sombre aussi envahissant qu’insaisissable reste pour une majorité de physiciens le moyen le plus évident de rendre compatibles ­l’ensemble des données astrophysiques à leur disposition et la théorie de la relativité générale. Seulement voilà : après quarante ans de traque intensive, aucun instrument ni aucune expérience n’ont permis d’observer la moindre structure cosmique ou la moindre particule pouvant endosser le rôle de cette masse invisible.

Sans parler de crise, cette situation est très frustrante pour une discipline dont l’objectif est d’aboutir à une théorie décrivant exhaustivement le contenu de notre Univers et son évolution. Le physicien Gabriel Chardin, qui a reçu la médaille d’argent du CNRS en 2007 pour ses travaux sur la matière noire, notamment au sein de la collaboration internationale Edelweiss1, pense qu’il serait possible d’en sortir en envisageant, comme Einstein en son temps, un nouvel accroc au sens commun : accepter qu’il existe des masses négatives dans notre Univers, tout comme il existe des charges électriques positives et négatives. À partir de là, il envisage un nouveau modèle cosmologique avec un Univers comportant autant de matière que d’antimatière, où il n’est plus nécessaire de faire appel aux concepts de matière ou d’énergie noire. « Cet Univers, développé depuis dix ans avec ­Aurélien Benoit-Lévy, est encore très loin d’être accepté comme une alternative au modèle standard cosmologique, avec matière noire et énergie noire, reconnaît Gabriel Chardin, qui développe en détail ses idées dans l’essai L’Insoutenable ­gravité de l’Univers. Mais il ne repose pas que sur des spéculations, il reproduit de façon assez étonnante un grand nombre de données dont on dispose et fait des prédictions qui pourront être testées dans les prochaines années, voire les ­prochains mois. »
 

Représentation de l'évolution de l'Univers depuis le Big Bang.
Représentation de l'évolution de l'Univers depuis le Big Bang.

Des anomalies dans la Chevelure de Bérénice

Mais pour quelles raisons la communauté scientifique en est-elle venue à considérer comme nécessaire l’existence d’un secteur sombre ? Et quelles sont celles qui poussent aujourd’hui un nombre croissant de chercheurs à envisager des hypothèses alternatives ? Le ­premier à avoir soulevé, dès 1933, l’hypothèse d’une masse invisible est l’astrophysicien suisse Fritz Zwicky (1898-1974). En observant la Chevelure de ­Bérénice, où il mesurait les vitesses des galaxies qui orbitent dans l’amas du Coma, il calcula que la gravité exercée par la matière visible ne pouvait pas compenser la force centrifuge qui s’exerçait sur ces galaxies : elles auraient dû être expulsées de l’amas comme d’un manège tournant trop vite. Il en déduisit la présence d’une matière obscure, dont la masse était bien plus importante que celle de la matière visible. Il s’écoula plus de trente ans avant que son intuition soit confirmée par l’étude que Vera Rubin mena sur les profils de rotation à l’intérieur des galaxies. Le seul moyen d’expliquer ce profil dans le cadre des lois de la gravité était d’admettre que ces galaxies étaient plongées dans un halo de matière noire six fois plus lourd que leur contenu visible. Ces résultats ont ensuite été confirmés et de nombreuses autres observations ­indépendantes ont accumulé les indices en faveur de l’existence d’une matière noire. Quoique concordants, ces différents indices n’en sont pas moins indirects. D’autant qu’aucune des formes de matière sombre connues ­(planètes, neutrinos, trous noirs) ne semblant pouvoir contribuer significativement à cet excès de masse, la matière noire ne peut relever que d’une physique encore inconnue.
 

Modifier les lois de la gravité

Cette matière, ou les mystérieuses particules qui la composent, des physiciens du monde entier les traquent donc depuis quarante ans, soit dans l’Espace, soit dans des accélérateurs comme le LHC, soit à l’aide de détecteurs de plus en plus sensibles. L’ennui est qu’ils n’ont jusque-là rien découvert. Ce qui permet certes aux théoriciens de contraindre un peu plus les caractéristiques possibles de cette matière exotique, mais suscite aussi de plus en plus de doutes quant à son existence. Dès 1983, le physicien israélien Mordehai Milgrom s’est rendu compte qu’il n’y aurait plus du tout besoin d’invoquer la moindre matière noire… à condition de modifier les lois de la gravité newtonienne. Notant que ces lois n’ont en fait été testées et vérifiées que dans les champs gravitationnels relativement forts de notre Système solaire, il propose de les remanier lorsqu’elles s’appliquent aux corps évoluant dans des champs très faibles, ceux qui règnent dans l’Espace intersidéral.

Cette image du trou noir (fictif) Gargantua, tiré du film Interstellar, a été réalisée sous le contrôle d'astrophysiciens spécialistes de ces corps massifs. Bien qu’ils aient un temps été soupçonnés, les trous noirs ne permettent pas d’expliquer la masse invisible de l’Univers.
Cette image du trou noir (fictif) Gargantua, tiré du film Interstellar, a été réalisée sous le contrôle d'astrophysiciens spécialistes de ces corps massifs. Bien qu’ils aient un temps été soupçonnés, les trous noirs ne permettent pas d’expliquer la masse invisible de l’Univers.

« Cette théorie, baptisée Mond (Modified Newtonian Dynamics), prédit bien le profil des vitesses dans les galaxies. Le problème est qu’à ce stade on ne dispose d’aucun moyen de la ­tester expérimentalement, note Gabriel ­Chardin qui est par ailleurs président du Comité des très grandes infrastructures de recherche au CNRS. L’engin le plus éloigné de nous, la sonde ­Voyager, est soumis à un champ gravitationnel cent ­millions de fois plus faible que celui auquel il était soumis à la surface de la Terre, mais c’est encore mille fois plus fort que ce à quoi il serait soumis dans des champs dits “faibles” ! »

Faute de cette preuve expérimentale, la majorité des chercheurs hésitent à remettre en question des lois qui, depuis Einstein, n’ont jamais été mises en défaut. D’autant que si Mond peut nous débarrasser de la matière noire, cette théorie est de toute façon incapable de répondre à une nouvelle énigme posée par la gravité : la découverte en 1998 de l’accélération de l’expansion de ­l’Univers, interprétée comme la manifestation d’une sorte de gravité répulsive.

Comme la nature de ce phénomène mystérieux restait inexpliquée, les physiciens l’ont traité comme la matière noire : ils l’ont rajouté à la liste de leurs « inconnus connus » et en ont mesuré les effets. Ils ont appelé énergie noire cette nouvelle composante mystérieuse. Les mesures du satellite Planck indiquent que cette énergie noire représente aujourd’hui un peu plus des deux tiers de l’énergie contenue dans l’Univers, la matière noire environ un quart et la matière connue à peine un vingtième. En acceptant cette curieuse composition, les cosmologistes ont pu élaborer le modèle standard cosmologique. Un modèle qui, tout en ­restant compatible avec la relativité générale et les observations, ­s’efforce de décrire de manière cohérente l’histoire de l’Univers du Big Bang à nos jours.

De l’antimatière dans le vide intergalactique ?

« S’il reste la solution de référence pour la majorité des physiciens, à mon sens comme dans l’esprit d’un nombre croissant de mes collègues, le modèle standard cosmologique possède plusieurs aspects très inélégants, nuance Gabriel Chardin. Il marche assez bien, c’est vrai, mais il apparaît de moins en moins vraisemblable dans sa composition, et compte un trop grand nombre de paramètres libres, qu’il faut réajuster à chaque nouvelle observation. Bref, quelque chose cloche dans l’Univers qu’il décrit… » Et c’est pour cette raison que de nouveaux modèles ont récemment été proposés par des théoriciens comme André Maeder, de l’université de Genève, ou Thomas Buchert, du Centre de recherche astrophysique de Lyon2 : des Univers n’ayant besoin ni d’énergie noire, ni de matière noire pour expliquer les observations actuelles.

Vue des installations de la collaboration Alpha, au Cern. Avant la fin 2018, une expérience va tenter d’y peser des atomes d’antihydrogène.
Vue des installations de la collaboration Alpha, au Cern. Avant la fin 2018, une expérience va tenter d’y peser des atomes d’antihydrogène.

C’est également le cas de l’Univers de Dirac-Milne élaboré par Gabriel Chardin. Celui-ci le fait reposer sur deux hypothèses révolutionnaires. Il considère d’abord que cet Univers contient autant de matière que d’antimatière, et que l’anti­matière possède une masse gravitationnelle négative. « La disparition totale, du moins apparente, de l’antimatière de notre Univers demeure à ce jour un autre des grands mystères du modèle standard : celui-ci indique pourtant que l’Univers comprenait pendant ses tout premiers instants après le Big Bang autant de matière que d’anti­matière, insiste-t-il. Dans l’Univers de Dirac-Milne, plus besoin d’expliquer la disparition de l’antimatière : elle est toujours là, cachée dans les vides intergalactiques. » La supposition que l’antimatière possède une masse négative est une supposition plausible, car, à ce jour, aucune expérience n’a pu mesurer la masse de ­l’antimatière. « À l’échelle atomique, si on le compare à ­l’électromagnétisme ou à ­l’énergie cinétique des particules, l’effet de la gravité est négligeable, explique le physicien. On sait produire depuis plus de vingt ans des atomes d’antihydrogène, mais on vient tout juste de trouver le moyen de les ralentir ­suffisamment pour pouvoir bientôt les peser. » (Lire l’encadré ci-dessous.)
 

Des masses négatives dans l’Univers ?

Les théoriciens ont en tout cas démontré que l’existence de masses négatives est parfaitement compatible avec la relativité générale, même si les mouvements qu’auraient ces masses les unes par rapport aux autres sont très étranges : ­tandis que les masses positives s’agrègent entre elles, les masses négatives se repoussent et s’écartent les unes des autres! « Dans un tel ­Univers, sous l’effet de la gravité, la matière – de masse positive – s’agrège et forme de grandes structures. En revanche, les particules d’antimatière, de masse négative, s’étalent en gaz froid dans ce que nous prenons pour de grands vides cosmiques. » Des vides qui, en s’étalant, et en repoussant les structures de masse positive, expliqueraient, sans avoir besoin d’énergie noire, l’expansion de l’Univers telle qu’elle est observée.

Par ailleurs, le fait de supposer qu’existent des particules de masse positive comme négative a un autre effet inattendu : il crée une polarisation du vide qui modifie les équations de la gravité. Celles-ci présentent alors une grande similarité avec celles de la théorie Mond. On peut dès lors se passer de l’hypothèse de la matière noire pour expliquer la rotation des galaxies. « En l’état, le modèle d’Univers de Dirac-Milne reste hautement spéculatif, mais les valeurs auxquelles il aboutit sont étonnamment proches de celles déjà mesurées par les grands programmes d’observation, et il va être directement testé dans les prochaines années, voire peut-être dès la fin de l’année 2018, grâce aux expériences Gbar, Alpha-g et AEgIS au Cern, qui vont enfin mesurer la masse gravitationnelle de l’antimatière, assure Gabriel ­Chardin. Nous saurons alors si l’explication proposée d’un ­Univers matière-­antimatière, guidée par ses arguments d’élégance mathématique et physique, est bien confirmée par l’expérience. » ♦

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Peser l’antimatière : lourde tâche !

L’antimatière posséderait une masse négative et se comporterait différemment de la matière quand elle est soumise à la gravité. Cette hypothèse, proposée par le physicien Gabriel Chardin, est plausible, mais très audacieuse. Car si l’on maîtrise désormais assez bien la production d’antiprotons dans les accélérateurs, « peser » ces antiparticules chargées négativement est presque impossible tant l’effet de la gravité est négligeable par rapport à celui de l’interaction électromagnétique. Un moyen de neutraliser cette force consiste à créer des atomes neutres d’antihydrogène en combinant un antiproton et un positron (anti-électron). La difficulté est alors de parvenir à confiner et ralentir ces anti-atomes avant qu’ils rencontrent des atomes de matière et qu’ils s’annihilent. En utilisant un piège magnétique, la collaboration Alpha du Cern est parvenue récemment à confiner pendant plusieurs heures un millier d’antihydrogènes. D’ici à la fin de l’année, Alpha va tenter de déterminer ce qui se passe exactement quand on « lâche » ces anti-atomes dans un champ gravitationnel. À suivre…

 
Lire aussi :
L’Insoutenable gravité de l’Univers, Gabriel Chardin, coll. « Essais-Manifeste », Éditions Le Pommier, 2018, 464 p., 25 €
 
 

Notes
  • 1. Expérience pour détecter les Wimps en site souterrain.
  • 2. Unité CNRS/Université Claude-Bernard Lyon 1/ENS Lyon.

Commentaires

39 commentaires

En 1915 Einstein présentait sa solution à l'anomalie de l'orbite de Mercure avec des calculs précis validant du même coup sa toute nouvelle théorie purement mathématique. On attend ceux sur Janus expliquant l'anomalie concernant la rotation des étoiles périphériques.

Il suffit de chercher sur Youtube. Monsieur Franck Malers à posté pas mal de simulations sur sa chaîne Youtube. Allez, un exemple de simulation avec le modèle Janus, un (et il y en a d'autres sur sa chaîne) : https://youtu.be/vtcbBpieR5U

Mais pourquoi vouloir toujours ajouter une nouvelle théorie ad hoc, alors qu'on n'exploite pas toutes les ressources d'une théorie bien établie : la Relativité ? Pourquoi ne pas se rappeler que l'accélération crée, comme la gravitation dans les trous noirs, un horizon des événements qui nous masque le rayonnement ? Celle-ci est noire tout simplement parce qu'elle est à la fois accélérée et assez lointaine (distance d'horizon c²/a, c étant la vitesse de la lumière et a l'accélération).

Non, la "matière noire" n'est pas suffisamment lointaine puisqu'elle compose notre propre galaxie (théorie lambda-cdm), ou l'entoure (theorie Janus de JPP qui en fait remplace la matière noire par la matière de masse négative)

Bonjour, Je ne suis pas une scientifique et je n ai pas beaucoup de connaissance désolée. Svp, est ce que une personne pourrai répondre à ma question qui est sûrement fantaisiste d'ailleurs? D après ce que j ai compris, plus on regarde loin plus on voit ce qui s'est passé avant. Et il y a de la matière positive et négative. Est il envisageable que ce que l on voit comme "vide" ou "négatif" pour nous soit "plein" ou "positif" pour l'autre et notre "plein" à nous correspond à du "vide" pour l'autre. Cela dépendrait du point où l on se place et du moment où on regarde? "Av" est très loin et donc est vieux , mais nous sur "Ma" on le voit alors que "Av" n'existe plus. Mais si on se "place" sur "Av" et qu on regarde "Ma" est ce que "Ma" correspond à du "vide" ou du "négatif" ou du "quelque chose" qui prendrait de la place mais qu on ne peut pas voir mais simplement appréhender car en devenir ? Merci.

Vous avez raison de vous protéger en disant que vous n'êtes pas une scientifique. Certains prétendent qu'il peut y avoir, si j'ai bien compris vos termes "positif" et "négatif" , des masses négatives. Douteux tant qu'il n'y a pas d'expériences pour le confirmer.

Avez-vous fait le calcul ? Un observateur situé à 2000 années-lumière, soit encore très proche dans notre Galaxie, ne pourrait voir notre planète dans sa révolution autour de son étoile (R = 150 Gm, v = 30 km/s, d'où une distance d'horizon de 1,5x10^16 km) et ce avec le meilleur télescope possible ! (voir le livre "La matière noire : substance exotique ou effet relativiste ?" de Perdijon, publié en 2015).

L'absence de matière noire est une évidence lorsqu'on connaît un peu de physique: Admettons que l'espace interstellaire (loin des astres) est constitué principalement d'atomes d'hydrogène froids (par exemple à 4000 K.). Dans ce gaz, apliquons les principes donnés à Einstein en 1917, principes vérifiés sur les lasers à gaz): les interactions de la lumière avec ce gaz sont spatialement cohérentes. La lumière naturelle (rayonnée, par un corps chaud) est temporellement incohérente à l'échelle de la nanoseconde (par exemple variation aléatoire de la phase du champ électromagnétique toutes les nanoseconde). On peut lui appliquer le qualificatif: formée d'impulsions longues de 1 nanoseconde. Selon G. L. Lamb, ces impulsions peuvent être qualifiées d'"ultra -courtes" dans un milieu dont toutes les constantes de temps impliquées sont supérieures à 1 nanoseconde: Pour notre hydrogène: il faut: -une très basse pression -une résonance à une fréquence inférieure à 1 GHz On peut avoir un effet Raman spatialement cohérent (Impulsive stimulated Raman Scattering: ISRS) dont l'émission cohérente interfère avec l'onde incidente, si la fréquence Raman est inférieure à 1GHz, ce qui n'est possible pour les résonances de spin que dans les niveaux excités de H (1420 MHz dans le niveau de base est une fréquence trop élevée) Ainsi, pour obéir à la thermodynamique, l'ISRS transfère de l'énergie à un niveau de spin. L'atome s'en débarrasse au profit du rayonnement thermique par un second ISRS. L'entropie croît. Conséquences : - La loi de Hubble n'évalue pas les distances mais la densité de colonne d'atomes H excités. En particulier, les distances évaluées par la loi de Hubble sont exagérées aux voisinages des astres chauds qui créent beaucoup de H excité (H*). - Ainsi les astres chauds font des bulles dans les cartes des galaxies. - Le glissement de fréquence est particulièrement grand au voisinage des astres chauds qui excitent les atomes froids. Par l'utilisation de la loi de Hubble, il apparaît ainsi des bulles dans les cartes des galaxies. L'exagération des distances des galaxies spirales accroît leurs tailles d'où les rend instables sans matière noire. Beaucoup d'autres applications: Faites une liste!

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