Matière noire - Définition et Explications

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Formation des grandes structures de l'Univers

La matière noire pose de nombreux problèmes, mais peut en résoudre certains autres. On peut la faire intervenir pour expliquer la formation des grandes structures de l’univers (galaxies, amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la...), superamas (En astronomie, un superamas est une association d'amas et de groupes de galaxies.), etc.).

Le problème est le suivant : on suppose que peu de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...), l’Univers, composé de protons, de neutrons, d’électrons, de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) et autres particules est à peu près homogène, c’est-à-dire uniforme en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) point (Graphie), car sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) est trop élevée pour permettre aux particules qui forment les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de se regrouper. Aujourd’hui, lorsque l’on observe la répartition des objets dans l’Univers, on remarque qu’ils ne sont pas distribués de manière uniforme ; on suppose donc qu’il a fallu que de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) se concentre un peu plus en certains endroits, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) des fluctuations que l’on appelle « fluctuations primordiales ».

Et pour repérer ces fluctuations de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) sur le fond diffus cosmologique (Le fond diffus cosmologique est le nom donné au rayonnement électromagnétique issu...), il suffit de repérer les différences de températures provenant de ce rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement...). La température moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) relevée est d’environ 2,7 K. Des zones légèrement plus chaudes indiqueraient une densité de matière un peu plus forte. Il suffisait que ces fluctuations soient de l’ordre du millième de degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) pour expliquer la formation des galaxies à partir de ces regroupements de matière.

Malheureusement pour cette théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...), le satellite (Satellite peut faire référence à :) COBE lancé en 1992 ne révéla que des variations de température de l’ordre du cent millième de degré, ce qui est bien trop faible pour que les grandes structures de l’Univers puissent s’être formées à partir de ces fluctuations primordiales en seulement 13,7 milliards d’années.

C’est là qu’on fait intervenir la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...) pour sauver la théorie. Les protons, neutrons et électrons ne pouvaient se regrouper pour former les atomes à cause de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) des photons. En revanche, la matière noire n’interagit pas avec les photons et n’aurait donc pas subi cette pression, ce qui lui aurait permis de créer des fluctuations de densité (invisibles) bien avant la matière ordinaire. Ces fluctuations auraient ainsi pu attirer, par gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...), la matière ordinaire lors du découplage matière-rayonnement de la nucléosynthèse primordiale (La nucléosynthèse primordiale est une théorie d'astrophysique qui permet d'expliquer...) (découplage qui a libéré les photons et rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) l’Univers transparent).

Dans cette hypothèse, ce sont donc ces fluctuations de densité de la matière noire qui seraient à l’origine de la formation des galaxies et des amas de galaxies, répartis de façon non uniforme dans l’Univers. Reste malheureusement à expliquer pourquoi la matière sombre aurait adopté une distribution non homogène, à l’inverse de la matière ordinaire…

Répartition de la matière noire dans l'Univers

Au sein des galaxies

À partir des vitesses de rotation des étoiles et des galaxies (au niveau des amas), il a été possible de mesurer la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de cette matière noire, et d’en déduire également sa répartition. Une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de cette matière devrait se trouver au sein même des galaxies, non pas dans le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) galactique mais sous forme d’un halo englobant la galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...). Cette configuration permet une stabilité du disque galactique. De plus, certaines galaxies possèdent des anneaux perpendiculaires au disque et composés de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...), de poussières et d’étoiles. Là encore, le halo de matière expliquerait la formation et la stabilité que de tels anneaux nécessitent. Par contre, il est impossible que la matière noire se trouve dans le disque galactique, car on devrait alors observer dans le mouvement des étoiles une oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à...) perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) au disque ; oscillation que nous ne voyons pas.

À l’instar de la matière lumineuse, elle décroîtrait également au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure que l’on s’éloigne du centre de la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...), mais de façon beaucoup moins prononcée. Ainsi, la proportion de matière lumineuse varierait de dominante au cœur des galaxies à négligeable à la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus...). L’étude de galaxies satellites (petites galaxies tournant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d’autres galaxies) oblige à imaginer des halos très étendus : environ 200 ou 300 kpc. Par comparaison, le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) est situé à environ 8,7 kpc du centre de notre Galaxie. La galaxie d’Andromède — galaxie la plus proche de nous — se situe à 760 kpc, soit un peu plus du double du rayon du halo de matière noire de notre galaxie. Du coup, ces halos devraient être communs entre galaxies voisines (comme des pépins dans une même pomme).

Entre les galaxies, à l'échelle des amas

Les mouvements de galaxies au sein des amas ont révélé le même problème que l’étude des mouvements des étoiles dans les galaxies et suggèrent donc la présence de matière noire entre les galaxies ; bien que rien ne prouve encore que ces deux problèmes soient liés. À l’échelle des galaxies, le taux de matière noire serait jusqu’à dix fois celui de la matière lumineuse, mais au niveau des amas, il serait bien plus important : jusqu’à trente fois la masse « visible » de ces amas.

En 1996, l’astrophysicien Yannick Mellier a entrepris avec son équipe de mesurer la quantité de matière (La quantité de matière est une grandeur de comptage d'entités chimiques ou physiques...) noire dans tout l’Univers et de dresser une carte de sa distribution entre les amas de galaxies à l’aide du cisaillement gravitationnel. L’idée est de faire une étude statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) de la déformation des images des galaxies due à l’interaction gravitationnelle de la matière noire présente entre la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) et ces structures, déviant les rayons lumineux envoyés par celles-ci (leur image nous arrive donc déformée). Une étude statistique à très grande échelle (la région du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) étudiée était de la taille apparente de la lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...) et sur une profondeur de cinq milliards d’années-lumière) permet de négliger les déformations locales dues aux autres amas de galaxies.

Cette étude a abouti en mars 2000 à une première cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le...) (encore sous forme d’ébauche). La matière noire devrait prendre la forme de longs filaments qui s’entre-croisent, la quantité de matière de l’univers devrait représenter un tiers de celle permettant d’atteindre la densité critique, le reste étant constitué d’énergie noire.

Une nouvelle étude similaire est en cours, toujours par l’équipe de Yannick Mellier, avec cette fois une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil...) CCD plus grande, permettant d’étudier une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) vingt fois plus grande que lors de la première étude. Celle-ci permettra d’obtenir une carte plus détaillée de la matière noire à grande échelle.[réf. souhaitée]

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