La Matière Noire : qu’est-ce que c’est ?

La théorie de la matière noire froide, publiée pour la première fois en 1984, affirme que la grande majorité de l’Univers est constituée de matière noire.

La matière noire est le nom donné à une substance dont nous soupçonnons l’existence mais que nous ne pouvons pas voir directement. Initialement appelée matière manquante, la matière noire n’interagit avec la matière normale que par l’intermédiaire de la force gravitationnelle. Etant donné que la plupart des connaissances que nous avons de l’Univers nous viennent de l’étude de la lumière, il est difficile de découvrir quoi que ce soit sur cette matière qui ne nous en envoie aucune et n’en absorbe aucune.

Les scientifiques ne peuvent donc étudier la matière noire que par les effets qu’elle a sur les objets célestes visibles.

Cette image composite (Rayons X à gauche et optique à droite) de l’amas de galaxie Abell 2029 montre un énorme nuage de gaz chaud qui enveloppe l’amas. Cet amas ne se comporte pas comme on pourrait s’y attendre compte tenu de la quantité de matière observée sur tout le spectre électromagnétique. Il faut plus de matière pour pouvoir l’expliquer. (Credit : NASA/CXC/UCI/A.Lewis et Pal Obs DSS)

L’espace entre les amas de galaxies est rempli de gaz chaud. En fait, ce gaz est tellement chaud (des dizaines de millions de degrés) qu’il brille en rayons X plutôt qu’en lumière visible.

En étudiant précisément la distribution du gaz chaud et sa température, on peut mesurer l’intensité de la force gravitationnelle exercée sur lui par toute la matière de l’amas. Il se trouve qu’il devrait y avoir environ 5 fois plus de matière dans cet amas de galaxie qu’il ne nous est possible d’en observer. La plupart de la matière de cet amas est invisible (il ne rayonne dans aucune fréquence du spectre électromagnétique).

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Prendre les mesures de l’Univers

Depuis 2000, les 3 programmes de sondage du ciel appelés Sloan Digital Sky Surveys (SDSS I, II et III) ont observé plus d’un quart du ciel nocturne, produisant la plus grande carte 3D de l’Univers.

Les scientifiques utilisent maintenant cette information visuelle pour calculer exactement comment la matière s’est agglutinée en partant de l’époque où l’Univers avait seulement la moitié de son âge actuel jusqu’à maintenant

« La manière dont les amas de galaxies se sont regroupés sur les vastes étendues du ciel nous explique comment la matière visible ordinaire et la matière noire sont distribuées à travers l’Espace et dans le temps », explique Shirley Ho, astrophysicienne au Lawrence Berkeley National Laboratory et à l’Université de Carnegie Mellon qui a dirigé cette étude. « La distribution nous donne des règles cosmiques pour mesurer comment l’Univers s’est étendu, et une base pour calculer son contenu : combien de matière noire, combien d’énergie noire, et même la masse des neutrinos (pourtant difficiles à observer) qu’il contient. Ce qui reste est la matière ordinaire et l’énergie qui nous sont familières ».

Pour cette étude, Ho et ses collègues ont sélectionné 900 000 galaxies lumineuses parmi les plus de 1,5 millions de telles galaxies rassemblées par le Baryon Oscillation Spectrographic Survey (BOSS), la composante la plus importante du SDSS III en cours. La plupart d’entre elles sont d’anciennes galaxies rouges qui contiennent seulement des étoiles rouges, parce que leurs étoiles à combustion rapide ont disparu depuis longtemps, et qui sont exceptionnellement brillantes et visibles à de grande distances. Les galaxies choisies pour cette étude remplissent le plus grand volume d’espace jamais utilisé pour des mesures du regroupement galactique. Leur luminosité a été mesurée dans 5 couleurs différentes, permettant d’estimer le décalage vers le rouge de chacune d’entre elles.

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Les propriétés fondamentales de l’Univers

Si l’on veut décrire de manière simple l’Univers tel que nous le connaissons, on peut dire qu’il consiste en quelques éléments qui nous sont familiers.

Passons ces éléments en revue :

Espace

C’est une représentation en 3 dimensions de tout ce que nous observons. L’Espace permet aux objets de s’étendre sur les dimensions gauche/droite, haut/bas et avant/arrière.

Temps

Le Temps est la 4ème dimension. Dans notre vie quotidienne, le temps est ce qui nous permet de mesurer la succession des évènements dans l’Espace mais c’est beaucoup plus que ça en réalité. Nous utilisons le temps comme un outil mais il est essentiel pour notre existence physique. L’Espace et le Temps, lorsqu’ils sont utilisés pour décrire des évènements, ne peuvent être séparés. Ils sont intrinsèquement liés. Avoir l’un sans l’autre n’a aucun sens dans notre monde physique. Cette dépendance mutuelle est appelée le continuum espace-temps. Dans cet Espace-Temps il n’y a pas de temps universel : c’est la fin de la notion de simultanéité.

Matière

Dans sa définition la plus fondamentale, la matière est ce qui occupe l’espace. Tout objet que vous pouvez voir, toucher ou bouger en lui appliquant une force. Elle est constituée de millions de milliards d’atomes. Pour comprendre la matière, regardons l’atome. Il est maintenant accepté que les atomes sont constitués de 3 particules appelées neutrons, protons et électrons. Les neutrons (sans charge) et les protons (charge positive) se trouvent dans le noyau atomique et les électrons (charge négative) entourent le noyau. Les atomes sont organisés en fonction de leur nombre de protons dans le tableau périodique des éléments.

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Pourquoi la nuit est noire ?

Dans un Univers infini et statique qui existerait depuis toujours, il n’y aurait pas de nuit. Le ciel serait toujours lumineux après le coucher du Soleil. Quelle que soit la direction vers laquelle vous regarderiez, il y aurait toujours des étoiles dont la lumière aurait eu tout le temps nécessaire pour arriver jusqu’à nous.

Même si l’intensité de la lumière des étoiles diminue à mesure de leur éloignement, s’il y avait une infinité d’étoiles, le ciel serait toujours éclairé comme en plein jour en raison de leur nombre. Si le ciel est noir la nuit c’est que l’Univers n’existe pas depuis toujours (d’après les dernières estimations il aurait 13,75 milliards d’années) et qu’il est en expansion, ce qui empêche la lumière (dont la vitesse est limitée) des étoiles les plus lointaines d’arriver jusqu’à nous et induit un décalage de la longueur d’onde de la lumière de toutes les autres étoiles (proportionnel à leur éloignement) qui a pour effet de rendre les plus lointaines invisibles à l’oeil nu.

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