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    Les cinq piliers de la matière noire  
    David Fossé - Ciel & Espace, no 504 - 2012-05-01      
    Des particules d'un genre nouveau : c'est ce que doit être la matière noire, insaisissable depuis des décennies. Cette certitude des astronomes repose sur cinq points.  
1.  

Les galaxies ne tournent pas rond

 
    Depuis les années 1970 et les travaux de l'Américaine Vera Rubin, les astronomes savent que les galaxies tournent sur elles-mêmes plus vite qu'elles ne le devraient. Si leur masse était vraiment celle donnée par leur éclat - donc, si elle n'était que la somme de la masse de leurs étoiles -, leur rotation serait bien plus lente. Par exemple, dans les bras de la galaxie M 33, la vitesse des étoiles est deux à quatre fois plus importante que les modèles ne le prédisent. C'est que cette petite galaxie est beaucoup plus massive qu'on ne le croit !  
    Où se trouve la "masse manquante" des galaxies, comme on l'a appelée jusque dans les années 1990 ? Dans un halo de matière invisible qui les baigne, expliquent les astronomes. Dans les années 1930, l'existence de cette masse cachée avait déjà été suggérée par Fritz Zwicky. Là encore pour des raisons liées à la dynamique : l'astrophysicien avait remarqué que le déplacement des galaxies dans les amas était trop rapide, compte tenu de la masse estimée de ceux-ci.  
    Cette masse manquante se trouve-t-elle sous forme d'une multitude d'astres peu lumineux, baptisés machos (acronyme de massive astronomical compact halo objects) ? Non, permet de répondre la chasse aux machos menée dans la Voie lactée au cours des années 1990. De tels astres sont trop peu nombreux pour constituer la matière noire.  
2.  

Les amas de galaxies sont des loupes trop efficaces

 
    Nous le savons depuis Albert Einstein : toute masse déforme l'espace-temps. Elle est donc capable d'infléchir le cheminement des rayons lumineux, voire de les concentrer comme une loupe. Cet effet de lentille gravitationnelle nous permet de "peser" les amas de galaxies qui focalisent la lumière d'une source lointaine. Grâce à lui, les astronomes ont pu confirmer dès les années 1980 l'intuition de Fritz Zwicky : il y a dix fois plus de masse invisible dans les amas de galaxies que de masse visible. Grâce à la puissance de calcul des ordinateurs, on sait même aujourd'hui dessiner la forme de ces concentrations de matière fantôme, en étudiant la façon dont l'image d'une galaxie d'arrière-plan est déformée et amplifiée. De plus, les nuages de gaz chaud qui englobent les amas de galaxies ne suffisent pas pour induire un tel effet. Pas de doute: dans les amas, les galaxies sont plongées dans un bain vaporeux, invisible, mais beaucoup plus massif qu'elles !  
   

Sur ce graphique, les pics correspondent aux galaxies de l'amas. Surprise : entre ces pics, au centre, apparait une masse diffuse.

 
3.  

Le cosmos est plein de grumeaux

 
    Galaxies, amas, superamas et filaments : l'Univers possède une structure à grande échelle que les relevés comme le Sloan Digital Sky Survey ne cessent de préciser. Comment est-elle apparue ? Sous l'effet d'une part de l'expansion de l'Univers, qui tend à disperser la matière, et d'autre part de la force de gravité de cette matière, qui tend au contraire à la rassembler. En reproduisant l'évolution du cosmos, les simulations numériques indiquent que la force d'attraction de la matière ordinaire ne suffit pas à assembler celle-ci en galaxies et en amas de galaxies. Il leur faut invoquer un supplément de masse, une substance dont la force de gravité a facilité la concentration de la matière ordinaire. Pour expliquer la distribution des galaxies et des amas, cette matière noire doit par ailleurs posséder deux propriétés bien particulières: elle doit être constituée de particules beaucoup moins rapides que la lumière ("froides" dans le jargon des physiciens) et elle doit être insensible aux frottements ("non dissipative"). La première propriété explique pourquoi les galaxies se forment avant les amas. Sans la seconde, les disques des galaxies seraient beaucoup plus nombreux et étendus.  
4.  

Il manque un ingrédients dans la recette de l'Univers

 
    Tous les éléments chimiques que l'on rencontre aujourd'hui ont été fabriqués il y a 13,7 milliards d'années, lorsque l'Univers était bien plus chaud, ou sont des descendants directs de ces éléments, recuits dans les étoiles ou le gaz interstellaire. En mesurant l'abondance de certains atomes (par exemple, le deutérium) dans des galaxies de plus en plus lointaines, les cosmologistes ont même pu estimer la densité de toute la matière ordinaire dans l'Univers. Le résultat est problématique: cette densité est sept fois plus faible que la densité de matière déduite de la façon dont se rassemblent les galaxies! L'existence de la matière noire, différente de toutes les formes de matière connues à ce jour, et qui n'aurait pas été fabriquée dans la même casserole qu'elles, comble naturellement ce hiatus…  
   

Les étoiles et le gaz interstellaire, même peu lumineux, ne compte que pour 20% de la matière de l'Univers.
La matière noire n'est pas simplement de la matière que l'on ne voit pas. Sa nature est exotique.

 
5.  

La carte du fond diffus cosmologique possède une texture particulière

 
    Où que vous regardiez, l'Univers semble baigné dans le rayonnement d'un corps à 3 K (-270°C). C'est le vestige de la première lumière émise par l'Univers, 380'000 ans après le big bang. À première vue, la température de ce "fond diffus cosmologique" est homogène sur tout le ciel. Mais en réalité, elle présente de toutes petites fluctuations, de l'ordre d'un cent-millième de degré. Directement liées aux variations de densité de l'Univers primordial, ces fluctuations sont l'eldorado des cosmologistes. Leur taille et leur amplitude montrent que, voici 13,7 milliards d'années, la densité de matière ordinaire du cosmos était six fois plus faible que la densité totale de matière. D'où provient donc la différence ? De la matière noire, assurent les astrophysiciens.  
       
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