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    Peser l'Univers  
    Cécile Bonneau - Science & Vie, HS 259 - 2012-03-01      
    Seulement 20% de la matière constituant l'Univers sont visibles. Qu'en est-il des 80% restants ?0Depuis 40 ans, les astronomes tentent de résoudre l'énigme, entre "matière noire"d'une nature inconnue et théorie à revoir.  
    C'est un grain de sable… qui fait presque la taille du rouage. Une anomalie monstrueuse dans la mécanique bien huilée de la ronde des astres : aux grandes échelles, lorsque l'on compare la réalité à la théorie, tout se passe comme si 85% de la masse de l'Univers nous échappait. Comme si ce que nous voyons, ce que nous mesurons, les étoiles, les galaxies, les amas de galaxies autour de nous, tout cela ne représentait que moins d'un sixième du réel. Comme si l'essentiel était invisible pour les télescopes…  
    Ce constat sème une belle pagaille dans les sciences physiques depuis les années 1970 : sont-ce les lois de la gravitation qui flanchent à grande échelle ? Ou est-ce la physique des particules qui a oublié de citer l'actrice principale dans son grand casting de la matière ? Les avis divergent, et prêtent parfois à sourire : en cherchant une alternative à la relativité générale d'Einstein, certains théoriciens ambitieux ne cèdent-ils pas un peu facilement au désir de tuer le père de la physique moderne ? Et les autres, en inventant une mystérieuse "matière noire" pour équilibrer leurs équations, ne retombent-ils pas dans les travers stériles de l'ésotérique "éther" que l'on cherchait déjà à détecter à la fin du XIXe siècle pour expliquer la propagation des ondes électromagnétiques ?  
   

Plus les observations astronomiques s'affinent, plus la physique théorique se trouve plongée dans l'embarras

 
    Quoi qu'il en soit, les faits observables mettent tout le monde d'accord : le ciel ne tourne pas rond. Ici, ce n'est pas la théorie qui a précédé l'observation, comme ce fut le cas pour les trous noirs ou les exoplanètes, activement recherchés par les astronomes après avoir été prédits ou pressentis. Non, c'est l'observation qui a ébranlé tout l'édifice théorique… lequel est incapable d'apporter une réponse. Et le comble, c'est que plus les observations s'affinent, plus la physique est dans l'embarras. Or il ne peut plus être question, aujourd'hui, de fermer les yeux sur le problème, comme on le fit en 1933 lorsque le fantasque astronome suisse Fritz Zwicky découvrit, le premier, un étrange manque de masse dans les amas de galaxies. Ce que Zwicky cherchait à faire à l'époque, grâce au télescope du Mont Wilson, en Californie, c'était "peser "l'amas de Coma, une grosse structure assez proche de nous (300 millions d'années-lumière), située dans la chevelure de Bérénice. L'amas de Coma compte plusieurs milliers de galaxies et a été abondamment étudié : "On le considère comme un cas d'école, car il est dynamiquement très évolué", explique Yannick Mellier, astronome à l'Institut d'astrophysique de Paris. Dynamiquement évolué ? Cela signifie qu'il est suffisamment ancien pour s'être organisé comme un système simple, que l'on peut assimiler à une bulle de gaz homogène, dont les atomes seraient des galaxies. Des galaxies qui, comme les particules d'un gaz, bougent en tous sens, leurs masses suffisant, par attraction mutuelle, à les maintenir dans le périmètre de leur bulle.  
   

Des galaxies qui filent à 1'000 km/s

 
    Sauf que quand Zwicky mesure la vitesse des galaxies de l'amas de Coma à l'aide d'un spectrographe, il constate qu'elles se déplacent à 1000 km/s. Or, d'après la théorie de la relativité générale, et vu leur nombre relativement peu élevé, cette vitesse gigantesque devrait largement suffire pour qu'elles s'échappent de l'amas sans se soucier le moins du monde de la gravitation. Alors, comment sont-elles maintenues en cohésion ? Qu'est-ce qui les lie entre elles ? Zwicky n'hésite pas à le dire : c'est de la masse. Et il calcule même qu'il faut en l'occurrence beaucoup, énormément de masse : 500 fois plus que celle qu'il observe en réalité. Bien qu'intéressée par l'analyse, la communauté scientifique hésite alors à poser d'autres amas sur la balance. Après tout, les hypothèses de Zwicky sont peut-être fausses : l'amas de Coma pourrait ne pas être aussi évolué qu'on le pensait, ou peut-être est-il organisé en sous-structures (des bulles dans la bulle) qui faussent les calculs. Le problème de la masse manquante tombe alors plus ou moins dans l'oubli.  
   

Zoom sur la matière noire

 
    La matière noire est une hypothétique substance que l'on n'a jamais directement observée, mais qui permet de rendre compte des mesures astronomiques de la masse de l'Univers. En effet, quand ils observent la forme et les mouvements de certains astres, les astrophysiciens en viennent à la conclusion que les objets connus ne représentent que 15 à 20% de la masse globale de l'Univers.  
   

Des tentatives d'explications avortées

 
    De nombreuses hypothèses mettant en jeu la matière ordinaire ont été proposées pour résoudre cette énigme. On a ainsi pensé à la présence d'immenses nuages de gaz. Mais bien qu'effectivement détectés par les télescopes spatiaux, ceux-ci se sont révélés impuissants à combler le manque de masse. Des astres sombres (des étoiles mortes, par exemple) auraient aussi pu jouer ce rôle de matière invisible, mais malgré les recherches, aucun programme dédié n'en a détecté une quantité suffisante pour rendre compte des masses attendues. Les trous noirs auraient aussi pu fournir une bonne piste : vu leur masse énorme, ces astres hyperdenses et parfaitement invisibles avaient toutes les apparences du coupable idéal ! Mais il faudrait des millions de trous noirs supermassifs par galaxie pour satisfaire aux calculs. Or, leur effet sur les étoiles avoisinantes ne manquerait pas d'être repéré. Enfin, l'hypothèse d'une masse invisible constituée de neutrinos, des particules élémentaires quasi indécelables, a aussi été tentée. Mais des détecteurs ont commencé à évaluer leur masse… et constaté qu'elle est beaucoup trop faible pour "remplir"ainsi l'Univers. Les physiciens pensent donc que la matière noire est constituée de particules "exotiques", qui interagissent très peu avec la matière ordinaire : elle est capable de la traverser, elle est invisible, se déplace lentement et possède une masse… seule caractéristique qui la trahit à nos yeux.  
   

L'énergie sombre

 
    Depuis 1998, on sait que ce n'est pas seulement 80% du monde qui nous échappe, mais encore bien d'avantage… Car en découvrant que l'Univers est en expansion accélérée, les physiciens ont réalisé que l'énergie nécessaire à cette accélération représente… 76 % de l'énergie totale de l'Univers ! Et comme ils assimilent masse et énergie (c'est le fameux E=mc2), on sait donc aujourd'hui que 76% de l'Univers est constitué d'une énergie inconnue (l'énergie sombre), que 20% existent sous forme d'une matière invisible (la matière noire), et que seuls 4% apparaissent sous forme de la matière que nous connaissons.  
   

 

 
   

Peser les amas grâce aux rayons X

 
    Zwicky avait pourtant vu juste et la masse des amas est aujourd'hui un sujet d'étude privilégié. Une méthode développée à partir des années 1980 permet même de les peser très précisément grâce aux rayons X. Car on a découvert que les amas ne contiennent pas que des galaxies, mais aussi de grandes quantités de plasma, c'est-à-dire du gaz dont les atomes ont perdu leurs électrons. Si ce gaz, probablement issu d'explosions d'étoiles, ne suffit malheureusement pas à combler le défaut de masse observé, il subit, comme toute la matière, l'attraction gravitationnelle de l'amas et, de ce fait, s'agite. Or, en s'agitant, il émet de grandes quantités de rayons X qui nous renseignent directement sur sa température (environ 100 millions de degrés), et donc sur la vitesse de ses particules. Ce qui permet encore une fois d'en déduire la masse minimale que doit posséder l'amas pour pouvoir les retenir malgré leur vitesse. la conclusion est sans appel : dans tous les amas, on observe aujourd'hui de visu, 100 à 300 fois moins de masse que ce l'on calcule en mesurant la vitesse du gaz. Zwicky ne s'était donc pas beaucoup trompé…  
    On en est d'autant plus convaincu aujourd'hui qu'un autre constat s'impose tous les jours aux astrophysiciens : les galaxies tournent bien trop vite pour que la masse visible suffise à rendre compte des mouvements de l'Univers. C'est l'astrophysicienne américaine Vera Rubin, de la Carnegie Institution à Washington, qui l'a montré la première dans les années 1970, en examinant en détailla vitesse de rotation d'Andromède. En effet, les progrès des télescopes aidant, elle a, dès cette époque, pu observer non plus la galaxie dans son ensemble, comme Fritz Zwicky, mais les étoiles au cas par cas au sein d'une même galaxie. Le résultat est sidérant : ces étoiles tournent aussi vite au cœur du disque d'Andromède que sur ses bords, comme s'il s'agissait d'un objet solide. Pourtant, selon les lois de Kepler, la vitesse des étoiles périphériques devrait être beaucoup moins élevée que celle des étoiles situées au centre. C'est d'ailleurs ce que l'on observe parfaitement dans notre système: Mercure, la plus proche du Soleil, tourne autour de lui à près de 50 km/s, tandis que Neptune, la plus lointaine, est dix fois plus lente !  
   

La révolution des arcs gravitationnels

 
    L'étrange comportement d'Andromède suggère donc que la partie visible de la galaxie n'est en réalité que son coeur… et que la masse globale s'étend sur un diamètre bien supérieur à celui que nos yeux peuvent distinguer. Ici, toutefois, pas de facteur 500, comme celui que calculait Zwicky. Non, Vera Rubin constate que la masse obtenue par le calcul est entre 10 et 50 fois plus importante que la masse observée. "Elle rencontrait déjà là un problème qui perdure aujourd'hui : la proportion de masse invisible présente dans un amas est beaucoup plus importante que celle que l'on trouve dans une galaxie", note Yannick Mellier. C'est avec cette observation, très vite reproduite sur de nombreuses galaxies, que le récurrent problème du poids de l'Univers éclate au grand jour. Et que la "masse manquante", comme l'avait baptisée Zwicky, devient la "matière noire". Pour les astronomes en effet, seule la présence d'une matière invisible et diffuse peut expliquer ces observations. Un bain de particules indétectables, sauf par l'effet de leur masse. De la matière noire, donc.  
    Aujourd'hui, on ne sait toujours pas de quoi cette matière est faite, mais on sait mesurer sa présence et ses quantités dans les moindres détails. Les télescopes sont même désormais capables de la voir presque directement grâce à un effet encore plus spectaculaire que les précédents : celui des lentilles gravitationnelles, de véritables balances cosmiques ! Pour comprendre, il faut savoir qu'en vertu des lois de la relativité générale d'Einstein, on sait que l'espace-temps est courbé sous l'effet des masses. Or, comme la lumière suit cette courbure, elle est déviée lorsqu'elle passe à proximité d'une masse. Imaginons ainsi qu'un objet très massif soit situé entre un observateur et une galaxie lointaine. Il agira alors comme une loupe qui amplifiera l'image, la déformera, et même, dans le cas le plus extrême, lui fera prendre la forme d'un anneau entourant la masse située au premier plan !  
   

Peser l'Univers : un jeu d'enfant !

 
    Même si l'effet était prédit par la théorie, la découverte, en 1987, du premier arc gravitationnel fit l'effet d'une révolution. Une révolution pour l'astronomie en général, car les lentilles gravitationnelles ne sont rien d'autres que d'immenses télescopes naturels permettant, quand la géométrie est favorable, d'observer des objets très lointains avec une luminosité décuplée. Mais surtout une révolution pour l'étude de la matière noire. Car plus la masse de premier plan est importante, plus la courbure de l'objet déformé sera grande. Il suffit même de connaître le rayon de courbure de l'objet déformé pour en déduire très simplement la masse de l'objet déformant. Peser l'Univers, et donc détecter sa masse cachée, devient dès lors un jeu d'enfant ! Cette révolution, on la doit à une équipe d'astrophysiciens de Toulouse qui observait par hasard, en 1985, l'amas Abell 370. Ils y ont découvert un arc très prononcé, que le télescope spatial Hubble a depuis magnifiquement photographié. "Même si l'effet était prédit par la théorie, on ne s'attendait pas du tout à l'observer, car on pensait que la masse des amas n'était pas assez concentrée pour rendre le phénomène visible, se souvient Yannick Mellier, alors en thèse dans ce laboratoire.  
    D'ailleurs, on a eu tellement peur de se tromper en découvrant cet arc, on a tellement cherché l'erreur, qu'on a attendu plus d'un an avant de publier nos résultats ! "Depuis, les astronomes voient des arcs partout. Des anneaux complets ont même été observés ! Pourquoi ne les avait-on pas décelés avant ? D'abord, il a fallu attendre l'apparition des télescopes de 4 m, seuls capables de discerner des détails aussi fins. Puis, surtout, les capteurs électroniques (CCD) qui ont remplacé les plaques photographiques chimiques, ils ont complètement changé la donne en permettant de collecter une quantité de lumière incomparable: "Avant eux, le rendement de nos plaques photo était de 4%. Avec les CCD, il a grimpé à 96% !", précise Yannick Mellier. Enfin, les progrès des spectrographes, qui permettent de mesurer la distance de plusieurs objets à la fois, ont achevé de rendre la détection des arcs possible. Les chercheurs ont ensuite appris à utiliser la moindre déformation de l'image d'une galaxie pour en déduire les masses présentes à l'aide d'outils statistiques. Ce qui leur permet de réaliser à présent des cartes détaillées de la répartition de la masse dans l'Univers.  
   

Matière noire fantôme ou gravitation modifiée : deux ébauches d'hypothèse que les astronomes échouent à départager

 
    Cette étape décisive permet aujourd'hui de tester les théories. Car l'idée d'une matière noire constituée de particules indétectables n'est pas seule en lice. Depuis 1983, en effet, le physicien israélien Mordehai Milgrom soutient que c'est la théorie de la gravitation qui est à revoir… Pour lui, inutile de chercher d'hypothétiques particules de matière noire : mieux vaut s'attaquer aux équations. Car si l'on admet que la gravitation est plus forte aux petites accélérations (c'est-à-dire sur les bords des galaxies), on explique aussi bien les observations astronomiques qu'en rajoutant une matière invisible. La proposition de Milgrom ne fait cependant pas l'unanimité, car il ne propose pour l'heure qu'une loi empirique, et non une théorie livrant une interprétation globale du cosmos, comme le fait la relativité générale avec une élégance incomparable.  
   

Grumeaux et filaments

 
    Si, globalement, la matière noire compterait pour 80 à 85% de la masse de l'Univers, elle ne baigne pas pour autant tout le cosmos uniformément. Comme la matière visible, elle forme des grumeaux, et même des filaments qui tissent une vaste toile dans l'espace, plus ou moins dense selon l'échelle à laquelle on l'observe. Elle est ainsi particulièrement concentrée autour des galaxies, où elle forme un halo sphérique (d'un diamètre bien supérieur au diamètre visible de la galaxie). Pourquoi la matière noire forme-t-elle une sphère alors que la matière visible forme un disque ? Tout simplement parce qu'en interagissant, la matière visible dissipe son énergie et finit par s'aplatir comme une crêpe sous l'effet de la rotation. Tandis que la matière noire traverse tout sans encombre (elle traverse aussi bien la matière visible qu'elle se traverse elle-même), se maintenant donc dans une forme sphérique. Les premières cartes de la matière noire, établies en 2000 grâce aux observations du télescope CFHT (Canada-France-Hawaii) situé sur le Mauna Kea, à Hawaii, ont permis de visualiser ces structures. Elles ont ensuite été affinées grâce aux mesures de Hubble et seront enfin complétées avec une précision inégalée par Euclid qui, lancé en 2019, analysera complètement un tiers entier du ciel !  
   
 
   

 

 
    Les astronomes sont donc plutôt imprégnés du concept de matière noire lorsqu'ils scrutent le ciel à la recherche de nouveaux indices. Mais ils gardent en tête la nécessité d'arbitrer entre les deux grandes hypothèses théoriques. Et en 2006, un groupe de chercheurs menés par Doug Clowe, de l'université de l'Arizona, marquait ainsi un point décisif en faveur de la matière noire en combinant plusieurs techniques d'observation sur la même image de l'amas du Boulet, dans la constellation de la Carène. Cet amas de galaxies est en fait une gigantesque collision entre deux gros amas. En utilisant à la fois la technique des lentilles gravitationnelles pour localiser la masse totale des amas, l'image optique permettant de localiser les masses de matière visible, et l'image en rayons X pour localiser le nuage de gaz, les chercheurs ont remarqué que dans le cas de cette collision, les masses totales des deux amas ne coïncidaient pas géographiquement avec leurs nuages de gaz. Comme si ces derniers étaient restés "à la traîne" après la collision, se freinant mutuellement, tandis que la matière noire, fantomatique, continuait son chemin sur sa lancée sans ralentir. La preuve éclatante de l'existence de la matière noire ! Sauf que les partisans de la gravitation modifiée eurent tôt fait de trouver une explication compatible avec leur théorie. En outre, une analyse menée par un groupe de l'université de Californie, à Davis, en mars 2012, sur un autre amas, celui d'Abell 520, semble montrer exactement l'inverse ! Mais il serait imprudent d'en tirer des conclusions définitives car, doté de nombreuses sous-structures, Abell 520 est un des amas les plus complexes jamais étudiés.  
   

A la poursuite de l'énergie sombre

 
    Difficile donc d'aller plus loin pour départager des théoriciens qui n'ont que des ébauches d'hypothèses. "La balle est dans le camp des détecteurs de particules. Nous allons continuer à améliorer nos observations, mais nous n'en attendons pas une révolution, tandis que le LHC contient potentiellement cette révolution", confie Yannick Mellier. Le LHC ? Oui, outre sa quête du boson de Higgs, le fameux accélérateur de particules du Cern, à Genève, cherche à produire une particule dite "supersymétrique", qui pourrait être de la matière noire. L'hypothèse théorique de la supersymétrie double en effet le nombre des particules élémentaires, en associant à chaque particule de matière une particule de force, et vice versa Ces particules supersymétriques, on espère aussi les observer dans des détecteurs souterrains comme celui du projet Xenon en Italie, ou CDMS aux États-Unis. Mais ceux-ci vont, pour l'heure, de déception en déception… Autre possibilité : détecter de la matière noire depuis l'espace grâce à l'AMS installé sur la Station spatiale internationale, qui pourrait détecter un excès de particules cosmiques résultant de collisions au sein de la matière noire elle-même. Mais là aussi les espoirs sont ténus. D'autant plus ténus qu'en avril dernier, un groupe de chercheurs menés par Christian Mani Bidin de l'université de Concepción, au Chili, montrait, en traçant 400 étoiles proches du Soleil, que notre zone de la Voie lactée se trouverait contre toute attente dans un désert de matière noire ! Les auteurs eux-mêmes considèrent cependant leurs résultats avec prudence et attendent des confirmations, notamment via la mission spatiale Gaia, à partir de 2013.  
    Quoi qu'il en soit, les astronomes vont continuer à analyser précisément la distribution de la matière noire dans l'Univers, surtout à partir de 2019, grâce au télescope spatial Euclid. Avec, à la clé, la résolution d'une autre énigme : celle de l'énergie sombre, qui constituerait 76% de l'énergie totale de l'Univers, provoquant son expansion accélérée. En déterminant comment cette énergie a affecté la distribution de matière noire depuis le big bang, on pourrait en effet définir sa nature. Une nouvelle physique en émergera-t-elle ? Espérons-le car, pour l'heure, observateurs et théoriciens vivent dans deux univers parallèles, aux lois complètement différentes…  
       
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