Monde de la physique : matière noire

Environ quatre-vingt pour cent de la matière de l’univers consiste apparemment en une substance invisible et jusque-là inconnue. Les physiciens ne manquent pas d’idées sur ce que cela pourrait être – mais jusqu’à présent, ils tâtonnent encore dans l’obscurité proverbiale.

Les observations du ciel ont fourni les premières indications de matière noire dès les années 1930. A cette époque, le physicien et astronome Fritz Zwicky étudiait l’amas de galaxies Coma, un ensemble de plus d’un millier de galaxies, situé à plus de 300 millions d’années-lumière de nous. Il s’intéressait à la vitesse à laquelle les systèmes individuels se déplacent dans le champ gravitationnel commun. Le résultat fut stupéfiant : Zwicky calcula que l’attraction mutuelle de la matière visible était loin d’être suffisante pour maintenir ensemble les amas de galaxies aux vitesses mesurées. Il devrait donc être résolu dans un court laps de temps.

Une solution sombre

Zwicky a ensuite postulé l’existence d’une matière supplémentaire qui n’est pas visible – c’est-à-dire sombre – mais stabilise l’amas de galaxies grâce à son attraction gravitationnelle supplémentaire. L’idée de “matière noire” a d’abord rencontré un rejet véhément dans le monde professionnel. Cela a changé dans les années 1960, lorsque l’astronome Vera Rubin a fait une autre découverte qui ne correspondait pas à l’image classique. Dans les galaxies spirales, la matière visible n’est pas uniformément répartie : sa densité est nettement plus élevée dans les régions centrales que dans les régions extérieures, c’est pourquoi les vitesses orbitales des étoiles devraient diminuer vers l’extérieur. Mais, comme l’a montré Rubin, ce n’est pas le cas. Cette découverte pourrait également s’expliquer s’il y avait beaucoup plus de matière dans les galaxies qu’il n’y paraît à première vue.

Entre-temps, de nombreuses autres observations astronomiques et travaux théoriques soutiennent cette idée – et la plupart des physiciens conviennent qu’il doit y avoir une forme de matière jusque-là inconnue dans le cosmos. Selon l’état actuel des connaissances, environ 80 % de toute la matière de l’univers est susceptible d’être “sombre”, c’est-à-dire qu’elle n’est révélée par aucun rayonnement, mais principalement par sa gravité. Jusqu’à présent, cependant, on ne sait pas en quoi consiste cette matière noire.

L’hypothèse évidente était que cette matière supplémentaire n’était que de gros nuages ​​de gaz ou de poussière qui – en raison de températures très basses, par exemple – n’émettaient aucun rayonnement électromagnétique. Cependant, toutes les tentatives pour étayer cette thèse ont échoué. Par exemple, d’énormes nuages ​​de poussière devraient se faire sentir en absorbant la lumière des étoiles qui les traverse. Enfin, les quantités de gaz et de poussière nécessaires seraient si massives que la formation d’étoiles serait différente de ce que les astronomes observent.

De plus, il existe un autre argument convaincant selon lequel la matière noire et la matière ordinaire sont fondamentalement différentes. Les modèles cosmologiques permettent de calculer assez précisément quels éléments chimiques ont été produits lors du Big Bang et en quelle abondance. Les valeurs dépendent, entre autres, de la proportion de matière ordinaire dans l’énergie totale et de matière dans le cosmos primitif. S’il y avait eu principalement de la matière ordinaire à l’époque, il aurait dû y avoir moins de deutérium – c’est-à-dire d’hydrogène lourd – dans l’univers aujourd’hui que ce qui est observé. La matière noire offre également une solution ici.

À la recherche

Les physiciens théoriciens ont déjà proposé un certain nombre de particules élémentaires hypothétiques dont pourrait être constituée la matière noire. Un exemple sont les axions, qui n’ont pratiquement pas de masse et interagissent non seulement par gravitation mais aussi par force électromagnétique. En outre, il existe également des candidats relativement lourds tels que les «particules massives à faible interaction», c’est-à-dire les «particules massives à faible interaction», ou WIMP en abrégé. Ils interagissent également avec la matière ordinaire via la force faible. Le point commun de toutes les particules proposées est que leur détection est extrêmement difficile. Il existe maintenant de nombreuses expériences à cette fin dans le monde entier – jusqu’à présent, cependant, la recherche des particules de matière noire a été infructueuse.

Il ne faut pas oublier qu’il y a aussi des physiciens qui suivent une approche différente : alors que les théories précédentes de la gravitation dans le système solaire fonctionnent bien et que les orbites de tous les corps célestes peuvent être calculées très précisément, affirment-ils, cela pourrait se produire sur de grandes planètes cosmiques. les problèmes d’échelles viennent. Les lois établies devraient donc être adaptées de manière à ce qu’aucune matière supplémentaire ne soit requise en plus de la matière habituelle. La dynamique newtonienne modifiée, LUNE en abrégé, est particulièrement bien développée, dans laquelle l’équivalence des masses inertielle et gravitationnelle – pierre angulaire de la théorie de la relativité générale – ne s’applique pas aux très petites accélérations. Cependant, il est contesté que toutes les observations puissent réellement être expliquées avec de telles théories alternatives.