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LA MATIERE NOIRE

Est un concept très important en cosmologie et en astrophysique moderne.

capture03-7-1.jpgL'ensemble des problèmes qu'on regroupe sous le nom de matière noire : tout d'abord, dans un certain nombre d'objets astrophysiques, les mouvements observés sont différents de ceux auxquels on s'attend en théorie, quand on essaie de les déduire de l'action gravitationnelle des masses qu'on observe, tout se passe comme si une densité de masse invisible était présente.

Le modèle standard de formation des grandes structures dans l'Univers, qui explique d'une part comment les galaxies et les amas de galaxies se forment, et d'autre part les propriétés du rayonnement de fond cosmologique, ne permet de rendre compte des observations qu'à condition que l'Univers contienne une grande quantité de masse sous une forme différente de la matière ordinaire. Enfin, la cosmologie en général livre des informations cruciales sur le contenu de l'Univers, que ce soit par l'étude de sa géométrie ou par celle de son histoire. Les résultats indiquent clairement que l'Univers contient plus de matière que celle que l'on voit.

Plusieurs questions se posent alors : "cette matière noire existe-t-elle vraiment ? Si oui c'est quoi ? Si non d'où viennent les problèmes que nous venons de mentionner ?"

Il serait satisfaisant de résoudre ces trois problèmes en même temps, et l'utilisation d'un vocable commun matière noire a au moins le mérite psychologique d'entretenir cet espoir, mais il faut avouer que ce but n'est pas encore atteint. Ceci n'est d'ailleurs pas un pur constat d'échec, car l'existence de ces problèmes de matière noire a motivé un grand nombre de recherches qui ont abouti à des découvertes importantes en astrophysique et cosmologie.

capture15-9.jpgLes différents indices qui mènent à l'hypothèse de la matière noire. Plusieurs propositions qui ont été faites pour tenter de répondre à la question "de quoi est faite cette matière noire ?".  

De nombreux indices convergent pour indiquer que l'Univers contient une grande quantité de matière sous une forme non lumineuse. On peut se faire une image assez cohérente de cette matière noire. De nombreuses expériences sont mises en place pour lever le mystère. On peut espérer avoir mis en évidence une nouvelle composante de notre Univers, que l'on détectera peut-être par d'autres moyens dans un futur proche.

capture11-4-1.jpgOn ne parvient pas à expliquer un grand nombre d'observations astrophysiques. Tout ceci met à l'épreuve les théories actuelles, qui sont de toute façon incomplètes. Il y a des choses à désapprendre ! Peut-être sommes-nous sur une mauvaise voie depuis le début, peut-être ce problème attend-il un regard complètement neuf et révolutionnaire. Cette vision n'est finalement pas si pessimiste que cela, si on y réfléchit bien...

Quantité de matière noire

La cosmologie nous indique que la composition de l'univers serait approximativement (les chiffres sont à prendre avec parcimonie, 73 % aujourd'hui, ce peut très bien être 80 % ou 60 % demain) :

  • 73 % d'énergie noire (par exemple une constante cosmologique)
  • 27 % de matière répartie comme suit
    • 23 % de matière non baryonique
    • 4 % de matière baryonique

L'étude des amas de galaxies indique que 90 % de leur masse est sous une forme invisible. L'étude des galaxies elles-mêmes indique que la grande majorité de leur masse aussi est sous forme invisible.

Distribution de la matière noire dans l'espace : les amas de galaxies

L'observation des amas de galaxies permet de montrer que la matière noire est distribuée de façon moins concentrée, plus étendue, que la matière ordinaire.

Les simulations numériques : des grumeaux de matière noire ?

L'émergence de l'informatique a permis de disposer d'un outil nouveau pour étudier l'Univers : les simulations numériques. En faisant des hypothèses sur les propriétés de l'Univers primordial, on peut simuler son évolution jusqu'à aujourd'hui selon les lois de la physique, et comparer avec ce qu'on observe en effet. Ainsi, les simulations permettent de retrouver la distribution de matière noire autour des amas de galaxies. Elles permettent alors d'aller un peu plus loin que la "simple" comparaison avec les observations. En effet, ces simulations indiquent que sur des petites échelles, la matière noire aurait tendance à former des grumeaux, avec des masses individuelles allant de celle de la Terre à celle d'une galaxie. La matière noire serait une pâte à crêpe englobant les amas de galaxies, contenant une multitude de grumeaux de petite taille. Ceci est bien encore débattu en long et en large au sein de la communauté scientifique depuis une dizaine d'années, mais si cela se confirme, cela pourrait avoir des conséquences importantes sur les perspectives de détection indirecte de la matière noire (voir plus loin). Voici quelques images issues de telles simulations par un des gourous du domaine, Ben Moore, qui a développé des fermes d'ordinateurs spécifiquement dédiés à ce type de problème (la troisième image a nécessité a elle seule 6 mois de calcul).

capture16-11.jpg  capture17-8.jpg

Résultats issus de simulations effectuées par Ben Moore. Au dessus, vue d'ensemble de la distribution de matière noire dans une tranche d'Univers d'un milliard d'années-lumière de côté. Au dessous, zooms successifs sur une région de 10 000 années-lumière de côté. Les deux zooms représentent une région faisant respectivement 100 années-lumière puis 1 année-lumière. La plus petite structure aurait la masse de la Terre, pour une taille de l'ordre de celle du système solaire.

capture18-10.jpgUne vue possible de notre galaxie, selon les simulations de Ben Moore : les points brillants représentent les grumeaux de matière noire mentionnés plus haut.

Conclusion

Il est assez rassurant de voir que ces indices d'origine différente convergent vers la même conclusion, et il est tentant de conclure qu'il s'agit en effet du même problème dans les trois cas, à savoir que l'Univers contient une grande quantité de masse sous une forme que l'on ne voit pas. Mais cela soulève une nouvelle question

Quelle est donc la nature de cette matière noire ?

Lors d’un récent colloque de l’AAAS, le prix Nobel de physique Samuel Ting a annoncé la prochaine publication des premiers résultats récoltés après 18 mois d’étude du flux de rayons cosmiques par le détecteur AMS, à bord de l’ISS. Dans quelques semaines, on saura peut-être s’il existe effectivement des particules de matière noire en train de se désintégrer dans la Voie lactée.

L’annonce de la découverte d’un disque de galaxies naines autour d’Andromède a permis aux partisans de la théorie Mond de marquer un point de plus dans le match qui les oppose aux défenseurs de la matière noire. Le LHC n’a toujours pas permis de détecter les particules de matière noire en les créant en laboratoire, alors que beaucoup s’attendaient à ce que des détecteurs comme Atlas et CMS nous montrent que le neutralino existe bel et bien. C’est donc avec une certaine excitation que l’on attend la publication des résultats de la chasse aux particules de matière noire conduite à l’aide de l’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) à bord de l’ISS.

La tension vient de monter d’un cran à la suite des récentes déclarations d’un des principaux chercheurs à l’origine de la construction de ce détecteur de rayons cosmiques, le prix Nobel de physique Samuel Ting.

Un excès d'antimatière, indice d'existence de la matière noire ?

Le codécouvreur du quark charmé avec Burton Richter a en effet annoncé lors du colloque de l’American Association for the Advancement of Science (AAAS) qu’un article serait publié dans quelques semaines. Mais surtout, il laissé entendre qu’il allait porter sur les variations en fonction de l’énergie du rapport du flux de positrons sur celui d’électrons dans les rayons cosmiques. Or, on sait qu'une augmentation de ce rapport suivie d'une brusque chute peut être interprétée comme la preuve de l’existence de la matière noire.

En effet, certaines théories des particules élémentaires, notamment celles construites à partir de la supersymétrie, prédisent que les particules de matière noire peuvent s’annihiler ou se désintégrer en produisant un excès d’antimatière dans les rayons cosmiques dans un intervalle d’énergie particulier. Des signes d’un tel excès avaient déjà été trouvés avec le satellite Fermi. Mais l’on pouvait toujours jusqu'à présent l’interpréter en faisant intervenir une source d’antimatière proche du Système solaire dans la Voie lactée, comme un pulsar.

capt-h110310-001.jpg Une vue d'AMS-02 (devant les panneaux solaires, en haut) juste après son installation sur l'ISS. Il chasse la matière noire depuis 18 mois et devrait le faire pendant des années. © Nasa

Des milliards de particules cosmiques détectées

Ce que l’on sait de certain, c’est qu’AMS fonctionne parfaitement bien et qu’en 18 mois, il a enregistré 25 milliards d’événements, dont huit milliards d’électrons et positrons. Quand l’article sera publié, peut-être directement sur arxiv, il devrait porter sur les flux de rayons cosmiques à des énergies comprises entre 0,5 et 350 GeV (la masse d’un proton est d’environ 1 GeV).

Samuel Ting a fait durer le suspens avec cette déclaration : «nous sommes en train de faire la vérification finale. J'imagine que dans deux ou trois semaines, nous devrions être en mesure de faire une annonce ». Il a en outre ajouté : « nous avons six groupes pour analyser les mêmes résultats. Les physiciens, comme vous le savez, ont leurs propres interprétations, et nous sommes en train de nous assurer que chacun de ces groupes est d'accord avec l'autre, et cela est presque le cas aujourd'hui ».

De nombreuses preuves de la présence de la matière noire sont issues de l'observation des amas de galaxies, de la naissance et de la formation des grandes structures dans le cosmos observable

En revanche, au niveau des galaxies, il semble que l’alternative au modèle de la matière noire froide (en anglais cold dark matter ou CDM), la théorie Mond, soit à prendre au sérieux de façon incontournable lorsque l'on cherche à décrire les mouvements des étoiles.

Le modèle CDM et la théorie Mond sont peut-être tous les deux dans le vrai, par exemple parce que les particules de matière noire pourraient avoir une influence sur les mouvements des étoiles dans les galaxies qui reproduiraient les prédictions de Mond.

Mais où en est aujourd’hui la quête des particules de matière noire ?

L’un des spécialistes français qui chassent ces particules de matière, Richard Taillet. Ancien élève de l'ENS de Lyon, il est professeur à l'université de Savoie et chercheur au LAPTH (laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique théorique). Il y a deux voies de recherche principales, la détection directe et la détection indirecte. Dans le premier cas, on cherche à les détecter sur Terre, au laboratoire. Plusieurs recherches directes reposent sur l’hypothèse que les galaxies, comme la Voie lactée, sont censées baigner dans un halo de matière noire. La Terre doit donc être traversée en permanence par ces particules d’un type nouveau. Bien que ces particules soient supposées interagir très faiblement avec la matière normale (dite baryonique car composée de noyaux d’atomes avec des protons et des neutrons), il est possible que ces interactions soient tout de même suffisamment fortes pour que des détecteurs enterrés (pour les isoler du bruit de fond des rayons cosmiques) soient capables de mettre en évidence ce flux de matière noire.

La délicate chasse aux Wimps sous la terre

Ces particules de matière noire, que l’on appelle dans ce cas précis des Wimps (pour weakly interacting massive particles), entreraient en collision avec des noyaux qui, par leur mouvement de recul, produiraient des excitations sous forme de phonons dans un réseau cristallin, des réactions d’ionisation ou des scintillations. On chasse ainsi les Wimps depuis plusieurs années avec des expériences comme Xenon, CoGent ou CDMS. Ce sont des expériences très délicates, une des difficultés majeure étant qu’on cherche à détecter une particule dont justement on ne connaît pas les caractéristiques !

Malgré quelques annonces de détection (Dama) et des polémiques, rien n’est pour le moment sorti de ces expériences. Elles continuent à se faire avec des améliorations portées aux détecteurs d’année en année pour les rendre plus sensibles. Si ces expériences n'ont toujours pas permis de comprendre à quoi ressemblent les particules de matière noire, on sait tout de même à quoi elles ne ressemblent pas puisque ces non-détections posent des contraintes sur les caractéristiques de ces particules et sur les théories qui les décrivent.

Au lieu d’essayer de détecter les particules de matière noire présentes autour de nous, on peut aussi envisager de les produire avec des collisions de faisceaux de particules, grâce à des accélérateurs. Ainsi, on les a chassées avec le Tevatron et aujourd’hui cette quête se poursuit avec le LHC. Les accélérateurs offrent d’ailleurs aussi une autre voie de recherche intéressante : même si on ne crée pas directement les particules de matière noire, on espère pouvoir mettre en évidence des phénomènes qui remettraient en cause le modèle standard de la physique des particules. Si par exemple on arrivait à confirmer l’existence de la supersymétrie, l’hypothèse selon laquelle la matière noire pourrait être constituée de particules supersymétriques gagnerait énormément de crédit.

La traque de la matière noire dans les rayons cosmiques

En complément de ces tentatives de détection directe, des recherches se font de manière indirecte. Certaines théories expliquant la nature des particules de matière noire impliquent en effet qu’elles peuvent se désintégrer en donnant des signatures détectables dans le cosmos. On étudie ces signatures dans le cadre de la jeune discipline de l’astroparticule, ou physique des astroparticules.

La recherche de signatures indirectes consiste à chercher un excès de particules d’un type connu (gamma, positrons, antiprotons, neutrinos, etc.), ce qui nécessite d’avoir une excellente connaissance des processus qui peuvent produire ces particules de manière standard, c’est-à-dire sans faire appel à la matière noire. Ces recherches s’inscrivent donc généralement dans le cadre plus général de l’astrophysique et de l’astronomie, par exemple avec Fermi pour celles qui relèvent de l’astronomie gamma, ou avec IceCube pour l’astronomie des neutrinos.

Une voie de recherche prometteuse repose sur le fait que les processus astrophysiques produisent bien plus de matière que d’antimatière. Une composante anormalement élevée de particules d’antimatière à certaines énergies pourrait donc trahir la présence de particules de matière noire en train de se désintégrer ou de s’annihiler dans la Voie lactée. C'est la raison pour laquelle on cherche à mesurer le flux de positrons, d’antiprotons et d’antideutérons [NDLR : noyaux d’antideutérium, soit un antiproton et un antineutron] dans le rayonnement cosmique avec des détecteurs dans l’espace comme Pamela et AMS. Dans le cas d’AMS, des mesures de flux d’antinoyaux de deutérium sont particulièrement attendues car elles pourraient constituer une preuve très convaincante de l’existence de la matière noire.

Les scientifiques qui travaillent sont impatients de voir des particules de matière noire dans les collisions de protons au LHC, que ce soit des particules supersymétriques ou d’autres, comme des états excités de particules du modèle standard dans le cadre des théories dites de Kaluza-Klein (KK). La particule de matière noire qui était probablement la plus attendue s'appelle effectivement un neutralino.

Elle apparaît dans le cadre des extensions les plus simples du modèle standard faisant intervenir la supersymétrie. La supersymétrie fascine nombre de théoriciens, notamment parce qu’elle permet de résoudre naturellement plusieurs problèmes liés au boson de Higgs et aux tentatives pour unifier avec des GUT la force électrofaible et la force nucléaire forte. D’autres physiciens n’ont pas été convaincus et il faut bien dire que le LHC a quelque peu refroidi les espoirs, car il n’y a toujours aucun signe de particules supersymétriques dans les détecteurs Atlas et CMS.

Les particules ont aussi un aspect ondulatoire et l’onde qui leur est associée doit se retrouver dans les dimensions spatiales supplémentaires où elles pourraient osciller selon différents modes, comme ceux d’un instrument de musique. Si l’on cogne suffisamment fort deux particules, la partie de leur onde associée, piégée dans les dimensions supplémentaires, peut donc sauter d’un mode propre à un autre. Dans un modèle simple de dimension spatiale supplémentaire, on a une quatrième dimension enroulée sur elle-même pour former un cercle de rayon R. Une particule quantique aura alors une composante d'impulsion p dans cette dimension qui est quantifiée à la manière d'une orbite d'électron dans un atome. Il apparaît une composante de masse supplémentaire dépendant d'un nombre entier n qui s'ajoute à celle de la particule dans son état fondamental m0. On obtient une « tour d’états » de Kaluza-Klein, un spectre de masse, qui devient continu lorsque R tend vers l'infini.

Toutefois, si les théories supersymétriques les plus simples sont maintenant moins crédibles, cela ne veut pas dire que les particules de matière noire ne sont pas des particules supersymétriques. Il se pourrait que des versions plus complexes de ces théories soient correctes. On peut penser que ces particules sont plus massives que prévu et qu’on finira par les voir lorsque des collisions à plus hautes énergies se produiront dans quelques années au LHC, ou avec ses successeurs. Si les théories KK sont justes, des particules comme le photon ou le graviton pourraient exister sous différentes formes en étant massives du fait de l'existence de dimension spatiales supplémentaires. Il y aurait même ce qu’on appelle une tour d’états de Kaluza-Klein avec un large spectre de masse pour chaque particule du modèle standard. Tout se passerait un peu comme pour les états d’énergie d’un atome d’hydrogène excité, sauf que l’état de plus basse énergie correspondrait à des photons et des gravitons de masse nulle. Aucune de ces particules de Kaluza-Klein n’a pour le moment été détectée.

La matière noire pourrait se présenter sous bien des formes. Il pourrait s'agir d'axions, de particules différentes des Wimps ou ne relevant pas du modèle de la matière noire froide. La présence de minitrous noirs primordiaux a même été envisagée. Nous continuons à examiner l'état des recherches sur les particules de matière noire. Les recherches s'avèrent difficiles, bien qu'il y ait pléthore de candidats possibles et plusieurs expériences différentes mises en œuvre. Certaines théories, dont la supersymétrie, laissaient espérer une rapide découverte des particules de matière noire avec le LHC. Le boson de Higgs semble effectivement avoir été observé, mais si tel est bien le cas, il reste à prouver qu’il nous ouvre une porte vers une physique au-delà du modèle standard. Une physique qui contiendrait naturellement des particules de matière noire suffisamment peu massives pour que l’on puisse les créer dans les accélérateurs technologiquement accessibles à l’humanité.

Les recherches se poursuivent. Le détecteur AMS installé sur la Station spatiale internationale a enregistré pendant un an 17 milliards d’événements dans le flux de rayons cosmiques, et plusieurs équipes s’intéressent de près aux analyses de ces données. Pour la première fois, des électrons d'énergie supérieure à 1 TeV et des positrons avec des énergies supérieures à 200 GeV ont été mesurés avant d'entrer dans l'atmosphère.

Le satellite Pamela avait lui détecté il y a quelque temps un excès de positrons dans ce flux de rayons cosmiques au-dessus de 10 GeV. Une première interprétation pouvait être qu’il s’agissait d’une preuve indirecte de l’existence de la matière noire. Des paires de neutralino-antineutralino présentes dans le noyau de la Voie lactée, en s’annihilant, peuvent augmenter l’intensité du flux de positrons dans les rayons cosmiques de la galaxie. Et ce au-delà de ce à quoi on peut s’attendre en tenant compte de la production de ces particules d’antimatière par des processus astrophysiques ordinaires, comme les supernovas et les pulsars. Malheureusement, on ne peut pas écarter la possibilité que cet excès soit causé par la présence de pulsars pas très éloignés du Soleil et que l’on n’a pas encore détectés. Un excès de protons de haute énergie a aussi été observé dans les rayons cosmiques par les expériences Pamela et Cream, ce qui pourrait fournir des clés supplémentaires pour résoudre le problème des positrons que nous venons de mentionner.

De grandes quantités de positrons au centre de la Voie lactée

Enfin, plusieurs indices semblent indiquer que le centre de la Voie lactée contient une quantité de positrons que l’on ne parvient pas à expliquer par des processus astrophysiques standards. Le dernier en date a été fourni par les satellites Planck et WMap, qui ont découvert une émission diffuse anormale dans le domaine des micro-ondes dans cette direction. Celle-ci pourrait venir de positrons qui rayonneraient en se déplaçant dans le champ magnétique galactique, ces positrons pouvant être produits par la désintégration de particules de matière noire. Mais cette hypothèse pose problème et il semble qu’il soit plus probable que l’on observe là les effets d’un mécanisme d’accélération encore inconnu.

Il peut paraître décourageant que la chasse indirecte à des particules de matière noire comme les neutralinos soit si difficile, mais il y a toujours quelque chose à apprendre de cette manière dans le domaine de l’astrophysique.

Dans la liste des candidats sérieux au titre de particule de matière noire. l’axion

Il existe plusieurs modèles en physique des particules pour décrire l’axion. Il s’agit à chaque fois d’une particule très légère, neutre et qui peut interagir très faiblement avec la matière normale. Il ne s'agit donc pas d'une Wimp.

Les théories à son sujet prédisent, entre autres, qu’en présence d’un champ magnétique ou du champ électrique d’un noyau, des photons peuvent se convertir en axions qui à leur tour peuvent redevenir des photons (c’est l’effet Primakoff). Il se pourrait qu’une grande quantité de ces particules aient été produites pendant les phases très primitives de l’univers, et ce sont effectivement de bonnes candidates pour expliquer la matière noire. Si elles existent, le Soleil devrait en produire aussi, et c’est pourquoi on a tenté de les observer avec le Cern Axion Solar Telescope (Cast).

En 2011, les chercheurs du Cern ont publié un article faisant état de résultats malheureusement négatifs. Cela ne veut pas dire que l’axion n’existe pas, mais on a repoussé les limites concernant sa masse et la façon dont il peut interagir avec la matière ordinaire.

Des simulations cosmologiques à base de matière noire pure

On cherche également à détecter directement sur Terre les axions du halo de matière noire de la Voie lactée avec l’expérience Axion Dark Matter eXperiment (ADMX). De nouveau, les résultats sont négatifs jusqu’à présent. Mais des chercheurs comme Leslie Rosenberg sont confiants. On verra bien. Il y a eu aussi des expériences tentant de produire directement des axions en laboratoire comme PVLAS, mais les tentatives sont restées tout aussi vaines.

Écarts entre simulations cosmologiques et observations

Les galaxies naines en orbitant autour de la Voie lactée. Ces galaxies ont des caractéristiques incompatibles avec les simulations issues du modèle de la matière noire froide.

Le problème est ancien et les cosmologistes ont appris à se méfier des comparaisons entre les simulations et la réalité. La valeur d’une simulation est intimement liée aux ingrédients que l’on a mis dedans, et toutes les simulations actuelles doivent faire des hypothèses simplificatrices drastiques. Je ne nie pas l’extrême intérêt des simulations numériques, c’est un outil puissant en physique, en particulier dans le domaine de la cosmologie. Il convient de prendre un peu de recul, de prendre note de ce qui, dans les simulations réalisées par différents groupes, correspond ou non à ce qu’on observe, avant d’en tirer une conclusion générale.

À l’heure actuelle, les simulations numériques indiquent un bon accord avec les observations, ce qui signifie que l’on comprend effectivement quelque chose à la cosmologie. Les désaccords qui subsistent fournissent des pistes extrêmement intéressantes pour affiner cette compréhension.

En particulier, les simulations cosmologiques ont tendance à prédire l’existence d’un grand nombre de petites galaxies naines satellites des grandes galaxies. Le compte n’y est pas dans le cas de la Voie lactée et des autres galaxies de l’amas local. Peut-être cela veut-il simplement dire qu’il existe une petite composante de matière noire dite chaude en plus de la matière noire froide. Une population de ces particules, par exemple des neutrinos stériles, qui seraient très légères et rapides, a tendance à inhiber la formation des petites galaxies. Il faudrait alors se diriger vers des modèles de matière noire tiède car contenant un mélange de particules de matière noire froide et chaude. Des neutrinos stériles ont ainsi été cherchés mais pour le moment sans succès.

Toutefois, pour préciser ce que j’entendais plus haut par « simplification drastique », il ne faut pas perdre de vue que les simulations cosmologiques comme celle du Millennium Run, ou la Bolshoi Simulation, sont très souvent des simulations dites de matière noire pure. C'est-à-dire que l’on ne tient pas compte de l’interaction de cette matière avec la matière baryonique ni du comportement propre de cette matière normale. La complexité et le volume de calculs à effectuer seraient trop élevés. Toute une dynamique avec le refroidissement et le chauffage du gaz qui régit l'histoire de la formation d'étoiles au sein des galaxies n’est donc pas prise en compte. Par exemple, on sait qu’il y a un lien entre la masse d’une galaxie et celle de son trou noir central, ce qui veut dire que les deux croissent de pair. Lorsque ces trous noirs supermassifs étaient des quasars, peut-être ont-ils aussi influencé l’évolution des petites galaxies naines en raison des jets de matière et autres rayonnements que ces quasars produisaient. Ces galaxies naines pourraient être là mais presque invisibles parce que, à part leur contenu en matière noire, elles auraient perdu rapidement leur contenu en gaz pour une raison ou pour une autre. Cela aurait stoppé la formation stellaire en leur sein, les rendant donc très peu lumineuses et difficiles à détecter. Il existe d'autres hypothèses comme celle faisant intervenir le souffle des supernovas.                                                                                                                                                                                                                                                                               La piste des trous noirs primordiaux

Enfin, dans les simulations cosmologiques, il est évidemment hors de question de suivre les particules de matière noire une par une (de même qu’on ne peut raisonnablement pas simuler un gaz en suivant le mouvement de toutes ses molécules), et l’unité de base, que malheureusement les chercheurs appellent aussi « particule de matière noire », est très massive. En 2009, la simulation du Millennium Run a utilisé des « particules » pesant 6,9 millions de masses solaires pour reproduire la formation des galaxies et des amas de galaxies dans un cube de 400 millions d’années-lumière de côté. La précédente utilisait environ 10 milliards de ces particules pesant 1 milliard de masses solaires dans un cube de 2 milliards d’années-lumière de côté. On comprend donc que la résolution de ces simulations, même sans parler du problème de la prise en compte de la dynamique de la matière normale, ne permet pas d’avoir des certitudes quant au problème du déficit des galaxies naines autour de la Voie lactée.

Les minitrous noirs primordiaux, a parfois été avancée comme une explication possible de la présence de la matière noire

Stephen Hawking nous a appris que les trous noirs devaient s’évaporer en émettant des particules à la façon d’un corps chauffé à une température inversement proportionnelle à sa masse. S’il a raison, des minitrous noirs qui se seraient formés par effondrement dans le plasma de matière primitif de l’univers et qui auraient des masses inférieures à 5x1014 g environ se seraient tous évaporés aujourd’hui. Comme les dernières phases d’évaporation de ces trous noirs sont violentes, avec de fortes émissions de rayons gamma selon un spectre caractéristique par exemple, on les aurait observés s’ils existaient en grand nombre dans l’univers. Toutefois, des trous noirs primordiaux de masse supérieure à 1017 g seraient trop froids et donc pas assez lumineux pour qu’on les détecte. Ces trous noirs pouvaient rendre compte de la totalité de la matière noire.

S’ils sont suffisamment massifs pour produire des effets de microlentille gravitationnelle non négligeables (pour des masses plus importantes que 1030 g environ, soit 10-3 masse solaire), on peut utiliser cet effet pour obtenir des bornes sur la présence de ces trous noirs dans le halo de la Voie lactée, grâce par exemple aux collaborations Eros (Expérience de recherche d’objets sombres), Macho ou Ogle. On sait par exemple que moins de 8 % de la masse du halo galactique de matière noire peut être sous forme d’astres compacts très peu lumineux d’une demi-masse solaire. Pour les trous noirs primordiaux dont la masse serait comprise entre 1017 g et 1027 g, il existe très peu de contraintes permettant d’exclure qu’ils jouent un rôle déterminant dans le problème de la matière noire.

Les observations des courbes de vitesses de révolution v(r) des étoiles autour du centre de leur galaxie à une distance r montrent qu'elles tournent trop vite si l'on se base sur la loi de la gravitation de Newton ou sur la masse déduite de la luminosité des galaxies. C'est l'une des preuves de l'existence de la matière noire.

 Par Richard Taillet chercheur au LAPTH

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