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France Culture : Les podcasts

Médiation

Média : Podcasts

Thèmes : Ultima Thule, Venus, Matière noire, ...

· Médiation

Je reviens vers vous cette semaine avec un article de médiation !
Une nouvelle série de podcasts en astronomie et astrophysique.
Ces podcasts sont réalisés par France Culture, et écoutables sur le site de France Culture (liens en bas de page).

@FranceCulture

Ces articles sont nombreux et variés.

C'est un outil robuste et intéressant pour les amateurs, les passionnés, ou pour se forger une bonne culture générale relative au cosmos.

La semaine dernière, au travers des podcasts de Ciel & Espace, j'ai abordé le thème des géantes gazeuses Jupiter et Saturne. Nous allons cette semaine nous éloigner du Système Solaire et parler matière noire.

"Où est passée la matière noire ?"

Mais où se trouve la matière noire ?
Cela fait des dizaines d'années que les astrophysicien.ne.s la traquent.
Malgré le fait que cette curieuse composante (dans l'éventualité où elle existe) représente la quasi totalité de l'Univers, celle-ci continue de se cacher de nous et nous est totalement invisible.

Distribution de la matière noire

@NASA, Dark Matter distribution

Il est alors légitime de se demander si la matière noire n'est pas qu'une simple illusion...

Il y a quelques semaines, un article scientifique traitant des données mises à jour par la mission GAÏA (mesure de la position, de la distance et du mouvement des étoiles de notre galaxie) de l'Agence Spatiale Européenne a annoncé la détection d'un courant de particules nommé S1. Cet "ouragan" qui serait de la matière noire serait entré en collision en 2017 avec la Voie Lactée (notre galaxie).

Les invités de cette émission, Nathalie Palanque-Delabrouille (Cosmologiste au CEA, spécialiste de la matière noire et de l'énergie noire) et David Elbaz (Directeur de recherche au CEA, spécialiste de la formation des galaxies), vont tenter de nous éclairer sur les mystères de cette matière noire.

Les recherches autour de la matière noire

Quelle est l'origine de la matière noire ? Quels besoins scientifiques ont engendré son apparition ?

Toute cette histoire commence avec un astronome américano-suisse : Fritz Zwicky (1898-1974).
Lorsqu'il arrive aux États-Unis, Zwicky n'a encore jamais travaillé en astronomie. Son domaine à lui, c'est la physique du solide (étude des propriétés fondamentales des matériaux solides).

Fritz Zwicky

@drewexmachina, Fritz Zwicky

Robert Millikan (Prix Nobel de Physique en 1923), de son côté, cherche l'origine d'un rayonnement qui casse les atomes de l'air et leur arrache leurs électrons (particules élémentaire gravitant autour du noyau d'un atome. Il est de charge négative). Il appelle ce phénomène "le rayonnement cosmique".
Millikan n'a cependant aucune explication de la provenance de ces rayons et dit alors qu'ils sont la "manifestation de la création divine de nouveaux atomes dans le ciel".

Zwicky, qui est un personnage que certains d'entre-vous appelleront "peu commode" et que d'autres idolâtreront (il avait pour coutume d'appeler ses collègues "idiots sphériques" car "quelque soit l'angle sous lequel vous les regardez, ils sont toujours aussi idiots") s'est fervemment opposé à l'hypothèse divine de Millikan. C'est alors que le lien entre Millikan et Zwicky se fait, et ce dernier se lance dans des recherches en astronomie.
Il découvre lors de ses travaux que la source des rayonnements cosmiques sont en réalité des particules chargées (électriquement).
Ces rayons capables de briser de la matière doivent donc être des rayons très énergétiques.

Supernova : Eta Carinae

@NASA, Supernova preview

Il invoque alors des explosions d'étoiles plus puissantes que celles qu'on ait jamais vues : il invente le phénomène de Supernova (ici : phénomène résultant de l'implosion d'une étoile en fin de vie). Mais il fallait également que la matière soit comprimée plus que tout ce que l'on avait pu voir auparavant : il parle alors de la création des étoiles à neutrons !

Ces deux processus ont une faible probabilité d'arriver. En effet, en moyenne, il y en a typiquement un par siècle dans l'Univers local. Zwicky a alors cherché une région du ciel dans laquelle on peut trouver un grand nombre de galaxies et donc espérer rencontrer ces phénomènes un peu plus régulièrement.

Il mesure la vitesse des galaxies, et se trouve face à un résultat inattendu : les galaxies (qui voyagent à 4 MILLIONS de kilomètres par heure) sont attirées par une force invisible (il s'attendait à ce qu'elles s'éloignent les unes des autres. Surprise !).

Il en déduit alors qu'il existe une forme de matière noire, qui augmente la puissance gravitationnelle (attraction due à la gravité) de ces galaxies, qui restent soudées les unes aux autres.

Zwicky n'étant pas très populaire (cf. "idiot sphérique"), ses recherches ne seront pas prises au sérieux par ses collègues. C'est la raison pour laquelle les chercheurs commenceront à travailler sur le sujet seulement 40 ans plus tard. Ils observent que les galaxies se déplacent trop vite par rapport aux simulations réalisées au préalable et qu'au sein de ces galaxies, les étoiles elles-même tournent trop vite.
Cette découverte, on la doit à Vera Rubin (astronome américaine dont je parlerai dans un prochain article).

Depuis, les chercheurs.euses n'ont de cesse de s'intéresser à cette mystérieuse composante invisible. Plusieurs arguments en faveur de la matière noire ont été mis en exergue.

Un d'eux est le fait que le Soleil tourne autour du centre de la Voie Lactée à la modeste vitesse d'environ 220 kilomètres par SECONDE. Ainsi, sans matière noire, le Soleil aurait déjà été éjecté de la galaxie (et nous avec...) par force centrifuge (mettez de l'eau sur une toupie et faites la tourner, vous verrez, ça ne reste pas dessus. C'est la conséquence de la force centrifuge !).

Amas de galaxies Abell 2744

@NASA, Galaxy Cluster

Un deuxième argument vient du fait qu'il manque de la masse aux amas de galaxies (groupe de plusieurs centaines de galaxies). En effet, les galaxies se déplacent à des vitesses bien supérieures que la vitesse dite de libération (vitesse à partir de laquelle le corps est éjecté) des galaxies de l'amas. Il est donc encore une fois nécessaire d'inclure une composante qui garde ces objets liés les uns aux autres.

La matière noire est donc partout. Il est difficile d'accepter qu'il y ait 6 fois plus de matière dans le monde que tout ce que l'on voit. N'est-ce-pas ?
Malgré cette difficulté, on ne peut s'en passer.
Si on s'intéresse à la formation des galaxies, on se rend compte rapidement que sans matière noire, cette formation est impossible (à moins de modifier les règles de la physique, mais ça, on en parlera dans un autre article).

Accepter l'idée de la matière noire, ça implique donc l'inclusion dans les modèles (reconstitution et simulation de scénarios en fonction de différents paramètres, effectuées par ordinateur) d'un supplément de gravité et a fortiori, pour égalisé, il est nécessaire de créer des "puits" de gravité. Et là, ... Vous les voyez arriver... Les trous noirs !

Vu d'artiste d'un trou noir supermassif

@NASA, artiste concept of a supermassive black hole

Sans ces trous noirs, juste à partir de petits grumeaux de matière dans l'Univers très très lointain, pas la moindre galaxie ne serait capable de se former en environ 13.8 milliards d'années (âge de l'Univers).
Il y a donc une complémentarité dans l'Univers :
La où la gravité est plus forte et tend vers un point, la matière tourbillonne, chauffe et se forment des jets de matière très puissants. Le cœur des galaxies.
On assiste alors à un combat titanesque entre matière noire : moteur d'expansion et trous noirs : moteurs d'accrétion !

Suites à de nombreuses recherches très fructueuses, plusieurs candidats sont nés pour prendre le rôle de matière noire !
Les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles : Particules massives interagissant faiblement) et les MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects : Objets astrophysiques massifs compacts du halo).
Mais trop d'informations tue l'information donc j'écrirai prochainement un article sur ces fameux "candidats matière noire" !

Nathalie Bauchet

Informations utiles :

Lien vers la rubrique Astronomie, et Astrophysique sur le site de France Culture.

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Twitter de la Méthode Scientifique : émission de France Culture dédiée à toutes les sciences.

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