Matière noire

Lorsque l'astrophysique a commencé à s'intéresser au mouvement des planètes autour du Soleil, elle a trouvé des lois empiriques (les lois de Kepler), puis les a expliqué grâce à une théorie mathématique puissante : la gravitation de Newton. De proche en proche, on se demande comment le Système Solaire est né, et en particulier ce qui fait du Soleil un astre particulier dans ce système. Parallèlemment, on s'est intéressé aux étoiles. Les techniques de mesure évoluant, on a bientôt été en mesure de les classer, dans l'espoir de trouver des "familles" d'étoiles, ayant les même propriété, et surprise !! : toutes les étoiles s'avèrent être de même nature, mais observées à des moments différents de leur vie. On peut même raconter l'histoire d'une étoile, expliquer comment elle se forme, évolue, puis finalement s'éteint. Aujourd'hui, les étoiles sont les astres que l'on connaît le mieux parmis tout ce que l'on peut trouver dans cet Univers (surtout depuis que le schéma de naissance d'un cortège planétaire a volé en éclat).

Puis vint un tournant important : la Voie Lactée n'est pas la seule galaxie de l'Univers, mieux encore, elle est banale, et ne joue aucun rôle particulier. Sur la lancée, on se jette corps et âme dans l'étude de ces nouveaux "astres". Mais les problèmes commencent à surgir, et il faudra sans doute beaucoup de temps avant de les résoudre complètement et de façon satisfaisante...

90% de la masse de l'univers restent à trouver

Quel est le problème avec les galaxies? Les étoiles sont constituées d'atomes (un nombre inimaginablement grand) et on a fini par règler la question. Les galaxies sont faîtes d'étoiles, mais au fond le problème est le même ! C'est faux, car une galaxie est un système non collisionnel alors que les étoiles sont des systèmes collisionnels par excellence (l'énergie des étoiles provient de la collision de noyau d'atomes !) : dans une galaxie, aussi riche en étoile qu'elle puisse sembler, les étoiles n'ont que très peu de chance de se rencontrer et d'entrer en contact. Il faut en moyenne 10¹⁷ années pour que deux étoiles se perturbent... L'univers est trop jeune pour que ce phénomène ait déjà eut lieu ! Rendez-vous compte à quel point l'événement est rare. Cela peut sembler bête, mais toute la différence est là. Les équations qui régissent les propriétés des galaxies deviennent insolubles, et nous voici obligés d'appeler l'ordinateur en renfort pour effectuer des simulations numériques ; et c'est beaucoup dire, car si l'on voulait effectuer la simulation de l'évolution d'une galaxie (avec toutes ses étoiles et en 3D), il faudrait que l'ordinateur fasse dix mille milliards de milliards de calculs pour décrire son évolution lors d'un pas de calcul: totalement hors de nos portées. Il faut donc expérimenter avec un nombre réduit d'étoiles, et en 2D pour pouvoir observer ce que donne la relativité générale pour une galaxie.

Avoir fait des essais pour comparer théorie et réalité ne récompensa pas le nombre de calculs qu'il a fallu faire : la réalité est totalement différente des prévisions (les étoiles des galaxies orbitent beaucoup trop vite et auraient du s'en échapper depuis bien longtemps, les structures spirales semblent être éphémères et ne durer que deux ou trois rotations de galaxie, les effets de lentille gravitationnelles auraient du être beaucoup plus faibles, des galaxies irrégulières dont la forme reste innexplicable, etc.). Même le modèle du Big Bang fini par être touché : des galaxies ne satisfont plus à la belle loi de Hubble qui dit de que plus une galaxie est éloignée, plus elle s'éloigne de nous rapidement. C'est le coup de grâce pour ce modèle dit standard, déjà mis à mal par la découverte d'étoiles beaucoup plus vieilles que l'univers.

Du coup, on raisonne à l'envers. On part de ce que l'on observe et on cherche la distribution de masse qui pourrait en être responsable. Prenons une galaxie, on peut estimer sa masse grâce à sa luminosité, et partant de cette masse, on calcule la vitesse théorique de ses étoiles : pas de chance, les résultats sont biens trop petits. Alors on part des mesures et on remonte à la masse de la galaxie : stupeur, elle est 90% de fois plus élevée que ce que donnait la mesure via la luminosité. Alors faut-il changer le modèle de la gravitation, ou autre choses ? C'est possible, mais ce modèle prévoit tout de même tout ce qui est observé, mais pas avec les bons ordres de grandeur. C'est pourquoi on a préféré trouver autre chose : si une galaxie est plus massive que ce que sa luminosité laisse penser, c'est qu'une grosse partie de la masse d'une galaxie nous est invisible. Vous avez dit matière noire?

Matière noire insaisissable

Très vite, on s'est mis à la chercher, avant même de s'assurer qu'une autre explication ne serait pas meilleurs ; et pour cela, il a fallu déterminer de quoi elle pouvait être composée. On s'est logiquement tourné vers l'antimatière, grande absente de l'univers : lors du Big Bang, matière et antimatière ont été créees en quantités égales, mais aujourd'hui l'antimatière semble avoir totalement disparue. Pour pouvoir la rendre responsable de la masse cachée, il faudrait pouvoir expliquer sa discrétion, d'autant plus que l'antimatière réagit violemment avec la matière (c'est la réaction la plus énergétique connue à ce jour), et si de l'antimatière se cachait dans les galaxies, comment expliquer quelle reste indétectable optiquement ? On ne s'est pas posé la question bien longtemps...

On s'est alors tournés vers une autre forme de matière, en engageant la responsabilité des neutrinos. Ces particules sont plus nombreuses que les photons, et on ignorait à l'époque si elles avaient une masse, mais qu'elle en ait une pourrait régler la question de la masse cachée. Et on leur a trouvé une masse ! Mais elle fut beaucoup trop faible pour au moins expliquer 20% de la masse cachée. On s'est tourné vers les particules exotiques : ces particules n'ont même pas encore été observées, et sont très très massives (ce sont des particules issues de la supersymétrie), mais aussi très instables. Il est donc relativement peu probable qu'elles soient responsable de la masse manquante de l'Univers.

L'option suivante est un peu plus récente : les naines brunes. Ce sont des étoiles avortées, de sorte de grosses planètes gazeuses (Jupiter aurait pu devenir une étoile si sa masse avait été bien supérieur), qui èrent dans les galaxies, et entre les galaxies (d'après de récents résultats). On les détecte par effet de lentille gravitationnelle : on programme un télescope pour qu'il observe une centaine d'étoiles, et pour détecter d'infimes variations de luminosité. Ce phénomène met en évidence le passage d'un corps entre nous et l'astre visé, et permet de détecter la naine brune. Malheureusement, le nombre de naine brune effectivement détecté fut beaucoup trop faible, comparé au nombre que l'on aurait statistiquement du détecter pour expliquer la nature de la matière noire. Encore une fausse piste.

A la recherche de la matière noire

On'a toujours pas abandonné la recherche de cette masse cachée, surtout en ce qui concerne la dynamique des galaxies : c'est quand même l'étape suivante après la compréhension des étoiles (je ne prétends pas que les étoiles n'ont plus de secrets pour nous :-) ). Il faut absolument savoir par quel miracle les galaxies n'explosent pas quand on voit la vitesse avec laquelle orbitent leurs étoiles. C'est pour ça que l'on s'est intéressé à la distribution que doit avoir cette mystérieuse matière noire pour expliquer tout ce que l'on ne comprend pas dans les galaxies (et que l'on a pour l'occasion mis sur le dos de la matière noire). On a donc fini par trouver une distribution, qui explique les vitesses élevées des étoiles, la structure spirale des galaxies, et quelques autres phénomènes. Tout va bien alors ! Non, parce qu'il reste à expliquer pourquoi la matière noire se serait arrangée de cette façon, et toute la question est là. Depuis, on a un peu avancé, et on pense que cette matière noire serait de l'hydrogène à très basse température (moins de 2,5°K, c'est à dire moins que le rayonnement rémanent du Big Bang, ce qui explique qu'on ne l'observe pas). Périodiquement, les galaxies aspireraient cet hydrogène, remplissant leur distribution de matière noire, et permettrait à la structure spirale des galaxies de se former périodiquement. Ce modèle est le modèle de la matière sombre. Il n'explique toujours pas d'où sort la distribution, ni d'où provient l'hydrogène molculaire qui alimente le stock...

Ce modèle est en très grande concurrence avec un modèle développé conjointement au modèle des cordes, l'avenir de la physique, unifiant enfin relativité et quantique : le modèle de la matière ombre.

La matière ombre, solution de bien des problèmes

Ce modèle part d'une supposition : l'Univers contient de la matière, certes. Cette matière est la matière usuelle, celle que l'on connaît bien, avec son antimatière (toujours disparue). Mais l'Univers contiendrait également de la matière ombre, c'est à dire une version parallèle de notre monde de matière, fait d'une autre sorte de matière. Aucune interaction ne peut avoir lieu entre matière et matière ombre mis à part la gravitation (c'est à dire que nous ne pouvons pas observer directement la matière ombre, de même qu'un être de matière ombre de nous verrait pas). Les deux mondes n'en forment en fait qu'un, et se sont tous deux développés à partir du Big Bang commun, mais indépendemment. Cela signifie que leur vitesse d'expansion peut être différente (c'est même souhaitable pour la théorie, mais j'y viens), que les constantes universelles peuvent être différentes (la vitesse de la lumière par exemple), etc. Ces deux mondes sont donc finement entremêlés, mais n'agissent entre eux que par le biais de la gravitation (cela peut paraître étrange, et un peu science fiction, mais c'est mathématiquement très valable et parfaitement décrit). D'ailleurs, parlons un peu de ce lien gravitationnel entre ces deux mondes : tout est partie du concept de relativité (encore lui) : il n'y a pas de raison que le monde parallèle fonctionne différemment, donc la relativité (et donc les lois de la gravité) fonctionne de la même façon là bas qu'ici. Si l'on admet qu'une masse de matière ombre puisse influencer gravitationnellement une masse de matière, ce la veut dire que la force de gravitation qui agit sur une masse quelconque est en fait une force couplée résultant de la distribution de matière et de matière ombre. Reste à définir un détail qui a son importance (du coup ce n'est plus un détail) : l'action de la matière ombre sur la matière doit-elle être considérée comme une action attractive ou répulsive ?

Les essais ont très vite montrés qu'une action répulsive donnait les résultats les plus riches (en toute honnêteté, si l'action était attractive le modèle rejoindrait celui de la matière sombre avec les mêmes inconvéniants). Il est très vite apparu que les deux mondes devaient être miroirs l'un de l'autre (chez nous c'est la matière qui prédomine, là bas c'est l'antimatière, et il en va de même pour tout un tas d'autres paramètres qui ont des orientations opposées dans chacun des deux mondes). Mais à quoi sert toutes cette théorie (qui finalement paraît plus invraisemblable que le modèle de la matière sombre) ? A quoi elle sert ? Je vous le donne en mille : elle résout pratiquements tous les problèmes que le modèle standard rencontre en ce moment. Fini la question de savoir pourquoi les amas de galaxies s'organisent "en bulles" au lieu de faire de vulgaires super-amas de galaxies, pourquoi certaines galaxies sont de belles spirales, avec des barres ou pas, ou complètement tourmentées. Terminé les interrogations sur l'origine des quasars, des effets de lentille gravitationnelles trop élevés, de la vitesse de rotation des étoiles dans les galaxies, les étoiles qui sont plus vieilles que l'univers, l'origine des galaxies de Seyfert, ... C'est magique ! Mais vous me direz que c'est le même problème, comment justifier le modèle de base ? En fait, c'est l'expérience qui validera la base : le modèle prévoit tout un ensemble de phénomènes que l'on n'a pas encore observés (mais certains ont déjà été confirmés). Mais la différence avec la matière sombre, est que le modèle de matière ombre propose de voir l'univers d'une autre façon, façon qui explique presque tout (même ce que modèle standard prédisait), alors que le modèle de matière sombre garde la même vision de l'Univers, les même règles; alors dans ce cadre, il faut que l'on puisse expliquer pourquoi l'hydrogène se condense dans les galaxies, car sinon ça devient un nouveau mystère.

Grâce au modèle de la matière ombre, le cas matière noire est alors règlé de façon très élégante : il n'y en a pas. Tout ce dont la matière noire était accusée serait en fait la manifestation d'un Univers de matière ombre, parallèle au nôtre. La matière ombre est vraiment très efficace pour expliquer l'évolution des galaxies. Matière et matière ombre se repoussent : du coup, celui des deux mondes parallèle qui a l'expansion la plus lente, qui a donc la densité la plus élevée, mène la danse chez son compère. Dans notre cas, c'est notre monde qui a l'expansion la plus rapide, et c'est donc lui le monde soumis. La force d'antigravitation qui modélise l'action de la matière ombre sur la matière est la plus forte, et permet aux galaxies de matière ombres de se regrouper en super amas (comme prévu chez nous sans matière ombre). Ces super amas agissent comme des pôles répulsifs et repoussent la matière qui va finalement se stabiliser aux barycentres de tous ces points, s'organisant comme s'organise le savon à la surface d'un réseau de bulles, qui n'est pas sans rappeler la structure en éponge de notre univers.

Point de vue galaxie de matière, elle se trouve comprimées par tous ces pôles répulsifs, ce qui agit conjointement à la force centripète de chaque étoile, et permet d'expliquer pourquoi celles-ci orbitent à une telle vitesse. Cette compression explique aussi l'existence et la persistance de bras spiraux ; mieux, la forme des bras spiraux est directemet relié à l'intensité de la compression que subit la galaxie en question. Numériquement, on a retrouvé toutes les géométries de bras spiraux que l'on ait observé jusqu'à maintenant.