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    Noir, impasse, et perte - La masse manquante  
    René Cuillierier - Ciel & Espace n.366 - 2000-11-01      
    Nous avons perdu un bout de l'Univers.
Oh ! pas grand-chose : à peine les neuf dixièmes…
L'énigme de la masse manquante tient du mystère policier et
les astrophysiciens se préparent à faire comme Sherlock Holmes : 
lorsque toutes les hypothèses vraisemblables se sont révélées fausses, la vérité ne peut être qu'incroyable.
 
    La découverte, en 1846, de Neptune à partir des calculs d'Urbain Le Verrier fut le gros événement astronomique du XIXe siècle. L'astronome dirigea l'observatoire de Paris de 1854 à 1870, où son comportement arrogant et dictatorial le fit haïr de tous.  
    La masse d'un corps mesure—entre autres choses—sa capacité à attirer tous les autres corps au travers de la gravitation. Même s'il ne se fait pas remarquer en émettant de la lumière, un bout de matière trahit sa présence par le simple fait que, en exerçant son gravitational appeal sur ses voisins, il modifie leur mouvement. Au siècle dernier, l'astronome français urbain Le Verrier prédit ainsi l'existence et la position d'une grosse masse à partir des perturbations qu'elle induisait dans les mouvements des planètes du Système solaire. Bien urbain, il en communiqua les coordonnées à l'observatoire de Paris : c'était Neptune, que son faible éclat avait permis jusqu'alors d'échapper aux télescopes terrestres. urbain Le Verrier est le premier découvreur de matière, sinon noire, du moins gris foncé, de l'histoire de l'astronomie.  
    Depuis, les astrophysiciens n'arrêtent pas de se cogner aux meubles de notre Univers. Les problèmes commencent à partir de la banlieue galactique du Soleil. En analysant le joyeux ballet des étoiles du voisinage, ils se sont aperçus qu'elles obéissaient aux injonctions d'un champ de gravitation, produit par une quantité de matière beaucoup plus grande que celle correspondant à l'addition de leur masse respective. Le véritable chef d'orchestre de cette sarabande, parce qu'il se tenait soigneusement a l'écart des feux de la rampe, reçut le peu reluisant qualificatif de "matière noire". Le même constat peut être fait à l'échelle d'une galaxie, ainsi qu'au niveau des amas de galaxies. Toutes les mesures convergent grosso modo vers le même chiffre : il y a dix fois plus de matière invisible que de matière lumineuse !  
    Le chiffre est confirmé par la cosmologie. Prenons un gaz en expansion — vous aurez reconnu l'Univers — et passons-nous le film de son histoire à l'envers. Le gaz se comprime et se réchauffe jusqu'à atteindre les quelques millions de degrés qui permettent aux réactions thermonucléaires de s'enclencher. Entre la première seconde et les trois premières minutes après le big bang, l'hydrogène primordial a fusionné pour donner de l'hélium et d'autres éléments, selon un processus tout à fait semblable à celui qui fournit l'énergie du Soleil. Les produits de cette "nucléosynthèse primordiale", et plus exactement les proportions dans lesquelles nous trouvons du deutérium (hydrogène lourd), de l'hélium et du lithium, sont déterminés par la masse de matière présente au départ. Pour avoir une idée de cette dernière, il suffit donc d'évaluer l'abondance de ces éléments dans l'Univers. La mesure aboutit à un résultat consternant : la densité de matière réelle initialement présente dans l'Univers est dix fois supérieure à celle calculée à partir de toute la matière visible qu'il contient actuellement. Il faut se rendre à l'évidence : pas gênés pour deux sous, les astrophysiciens tentent de modéliser un Univers dont, en réalité, 90% leur échappent totalement ! Certaines découvertes, comme celle récente de grandes quantités de gaz froid baignant les galaxies, ou la détection (controverse) de naines brunes ou de grosses planètes dérivant dans l'espace fournissent des candidats possibles à la matière noire. Hélas ! aucun de ces prétendants ne semble capable d'assumer à lui tout seul cette lourde responsabilité. Idem en ce qui concerne l'hypothèse, un temps très à la mode, d'un Univers rempli d'une foultitude de petits trous.. noirs.  
    Non contents d'avoir égaré 90% de l'Univers, les astrophysiciens se demandent si la réalité n'est pas bien pire. Les mesures réalisées jusqu'ici ne concernent que la matière normale, baptisée baryonique. Or, il se pourrait bien que l'Univers recèle encore dix fois plus de matière "exotique". En clair, la masse réelle de l'Univers ne correspondrait pas à l'addition de la matière noire et de la matière visible, mais serait dix fois supérieure. Ce surplus proviendrait de particules difficiles à détecter mais très massives, statut auquel les neutrinos ont été un moment candidats. Mais pourquoi alourdir ainsi l'Univers ? La raison en est à la fois toute théorique et pleine de bon sens.  
    Notre Univers est en expansion. Toutes les galaxies qu'il contient s'éloignent les unes des autres à une vitesse que l'on connaît— relativement—bien. Comme elles s'attirent également en vertu de la loi de la gravitation, l'expansion est sans cesse ralentie. Ce freinage finira-t-il par arrêter I expansion, ou continuera-t-elle éternellement ? Tout dépend de la quantité de matière présente, si elle est suffisante pour rappeler les galaxies à l'ordre ou pas. Si la densité de l'Univers est supérieure à une certaine valeur critique, les galaxies finiront par retomber les unes sur les autres. Sinon l'expansion continuera éternellement.  
   

La densité critique dépend de la vitesse de fuite des galaxies

 
    En tenant seulement compte de la matière noire "normale", la densité de l'Univers ne représente que 10 à 20% de la densité critique. L'Univers est trop léger pour s'arrêter de gonfler. Ce qui ne plaît pas trop aux astrophysiciens, dont le modèle cosmologique favori, dit de "l'inflation", prévoit que la densité de l'Univers est égale à la densité critique. Puis, cette hypothèse leur simplifierait grandement la vie. La densité de l'Univers diminue au cours du temps à cause du délayage provoqué par l'expansion. La valeur de la densité critique correspond à la quantité de matière nécessaire pour freiner les galaxies. Elle dépend de la vitesse à laquelle elles fuient, et elle diminue au fur et à mesure de leur ralentissement (ne cherchez pas où est passé le déficit de matière, la densité critique est une entité purement mathématique). Mais les deux densités ne maigrissent pas au même rythme. Si celle de l'Univers n'est pas exactement critique dès le départ, l'expansion creuse irrémédiablement l'écart. Pour que l'Univers soit aujourd'hui à 20% de la densité critique, il faut qu'il ait démarré, il y a 15 milliards d'années, avec une densité réelle égale à la densité critique… à 0,000'000'000'000'1% près ! Et ça embête beaucoup un théoricien de devoir trouver une hypothèse ad hoc pour expliquer une déviation si infinitésimale.  
    Voilà pourquoi tout le monde cherche une nouvelle matière noire capable de remplir l'Univers jusqu'à lui donner une densité exactement critique. Le détenteur—à titre posthume—de la solution est peut-être Albert Einstein lui-même. En posant les équations de la relativité générale, il leur a adjoint une "constante cosmologique"— qui représentait une force de répulsion— pour les empêcher de lui prédire un Univers en expansion. Tel était pourtant le cas, et il finit par la biffer d'un trait rageur. Un peu trop vite, semble-t-il. Si elle n'est pas capable d'empêcher l'évolution de l'Univers, il se pourrait bien que cette "force de répulsion" ne soit pas exactement nulle. L'espace serait alors rempli d'une grande quantité d'énergie d'origine quantique, à laquelle nous pouvons attribuer une masse en vertu de la célèbre équation E= mc2. Dans ce cas, chaque centimètre cube de vide pèserait quelque chose comme 0,000'000'000'000'000'000'000'000'000'01 gramme. C'est peu, mais sachant que l'Univers contient un sacré paquet de centimètres cubes, cela pourrait constituer l'essentiel de sa masse. Si les recherches des astrophysiciens confirment l'hypothèse, il leur faudra s'expliquer avec les physiciens quantiques qui prévoient, eux, que 1 cm3 d'espace doit peser… 1 kg tout rond !  
       
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