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Quelques lumières sur la matière noire ?

La matière noire est une hypothétique forme de matière, non encore observée. Elle ne serait sensible à aucune des forces fondamentales de l'univers, sauf à la force centrifuge. Ce serait les particules la composant qui constituerait environ 80% de la masse de l'univers observée. Les autres 20% sont constitués par la matière ordinaire, formant tous les objets observables, galaxies ou astres divers.
L'existence de la matière noire paraît indispensable à la cohésion de l'univers. Celle-ci s'est maintenue au long des quelques milliards d'année de vie qui lui sont aujourd'hui attribués. Ainsi, sans un noyau de matière noire au centre des amas galactiques et des galaxies, les astres les composant se seraient depuis longtemps dispersés sous l'effet de la force centrifuge à laquelle ils sont soumis dans des ensembles galactiques en rotation autour de leur centre.
On estime par ailleurs que cette matière n'est pas uniformément répandue dans l'univers. Elle forme comme la matière ordinaire des nuages évoluant sous l'effet de la gravité et pouvant éventuellement sous l'effet de celle-ci constituer des «astres noirs» non observables notamment au centre des nuages.

Matière noire dans les galaxies

Une matière constituée d'ondes

Les nouvelles hypothèses concernant l'existence et la formation de cette matière ne manquent pas aujourd'hui. Selon celle qui la plus répandue aujourd'hui, la matière noire ne serait pas constituée de particules, mais d'ondes. On lira à cet égard un article publié par deux chercheurs de l'Université basque, Tom Broadhurst et Sandor Molnar(1). Ils ont réalisé une simulation pouvant expliquer la collision, précédemment observée, de deux clusters ou amas de galaxies, ayant contribué à la formation d'un nouvel amas, dit «El Gordo».

Les amas galactiques sont les plus gros objets connus dans l'univers. Ils peuvent rassembler un nombre considérable de galaxies analogues à la Voie Lactée, pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers d''entre elles. Ces amas se constituent sous l'effet de la gravité. Les clusters grossissent sous l'effet des forces gravitationnelles s'exerçant sur eux, lorsqu'elles sont assez fortes pour contrebalancer la force d'expansion de l'univers. 

Dans le cas d'El Gordo, le plus grand amas observé par les télescopes actuels, celui-ci serait le résultat de la collision de deux amas géants. On peut l'observer du fait que la collision comprime les gaz intérieurs à chacun des deux amas jusqu'à des températures élevées visibles dans la partie des rayons X du spectre. Celui-ci montre que deux longues queues s'étendent à parti du cœur des deux amas. Les deux chercheurs ont été conduits à donner une explication «hydrodynamique» de celle-ci s'appuyant sur un article précédemment publié dans Nature(2). Sur cette base, ils ont réalisé un modèle numérique de la collision, qui permettrait d'expliquer la forme en queue de comètes des gaz, et la localisation des masses. Selon ce modèle, l'énergie dégagée au sein de El Gordo serait la plus élevée jamais observée, à l'exception de celle du Big Bang. 

Un modèle numérique n'est pas une observation. Cependant, en s'appuyant sur ce modèle, il sera possible de chercher à mieux interpréter les observations actuelles ou futures. Ces travaux conduiront à approfondir l'hypothèse d'une matière noire prenant le forme d'ondes plutôt que de particules.

Une matière constituée de petites particules

Un article plus récent du NewScientist(3), daté du 5 février 2018, a donné quelques précisions concernant une autre hypothèse(4). Selon celle-ci, la matière noire ne serait pas constituée d'un seul type de particules, tel que Range dark matter halol'hypothétique Wimp (Weakly Interacting Massive Particles(5)), jamais observé à ce jour malgré d'actives recherches(6)
Par ailleurs, il ne s'agirait pas d'ondes : la matière noire serait constituée de particules analogues à la matière ordinaire, particules électriquement chargées, autrement dit sensibles à la force électromagnétique. L'une serait une particule lourde analogue à un proton, l'autre serait légère, telle un électron. Mais elles ne seraient pas visibles en l'état actuel des moyens d'observation disponibles.

Cette matière noire formerait des halos autour des galaxies, comme le halo d'origine inexpliquée observable autour de la Voie Lactée et constitué d'un nombre considérable de mini-galaxies, d'astres isolés et de poussières. Elle pourrait former des «objets noirs» analogues aux étoiles et planètes. Ceux-ci seraient inobservables. Mais leur présence et leur agrégation autour et au centre des galaxies pourraient constituer la masse manquante permettant notamment d'expliquer le maintien de la cohésion des galaxies observables.
Jean-Paul Baquiast

  • (1) Fresh theories about dark matter.
    (2) Cosmic structure as the quantum interference of a coherent dark wave.
    (3) There could be entire stars and planets made out of dark matter.
    (4) Collapse dark matter structures.
    (5) Why the Best Place to Find Dark Matter May Be in a Rock.

    (6) De nombreuses expériences ont été menées afin de les détecter, et ceci depuis trente années. Le principe consiste à observer en laboratoire des noyaux de matière, dans l'espoir que certains d'entre eux pourraient être affectés par la rencontre avec une Wimp. Des dispositifs coûteux ont été mis en place tel le laboratoire National du Gran Sasso en Italie par exemple , laboratoire souterrain pour éviter la rencontre avec des particules de matière ordinaire plus fréquentes en surface.
    A ce jour, aucun laboraoitre n'a détecté d'anomalie laissant supposer le passage d'un WIMP.
    En attendant, d'autres cosmologistes théoriciens, tels que Sebastien Baum de l'Université de Stockholm, explorent d'autres façons de détecter l'interaction de la matière avec des Wimp. L'une d'elle consiste à rechercher dans des minéraux anciens, datant éventuellement de 4 milliards années, la trace qu'y auraient laissée des collisions avec des particules de matière noire. Pour cela, ils comptent utiliser ce qu'ils nomment des paléo-détecteurs (on pourra consulter à ce sujet un article que Baum et ses collègues viennent de publier à la date du 26 février 2019 : "Searching for Dark Matter with Paleo-Detectors").
    Les traces fossiles laissées par la collision avec une particule de matière noire s'étant produite depuis plusieurs milliards d'années seraient extrêmement petites. Mais elles pourraient aujourd'hui être détectées avec des méthodes faisant appel aux nanotechnologies, telles que la microscopie à rayons X. Des essais à petite échelle devraient être entrepris avant la fin de l'année 2019.


     
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