L’énigme de la matière noire

1. L’énigme de la matière noire Alain Bouquet

2. L’âge d’or de la cosmologie • Les données viennent de sources de plus en plus variées XMM • Elles sont de plus en plus précises • Elles confirment la théorie du big bang • Dans les grandes lignes • Dans les détails L’énigme de la matière noire

3. Matière noire 25% Gaz chaud 4% Energie noire 70% Etoiles & planètes 0.5% Neutrinos 0,5% Lumière 0,05% Mais la composition est inattendue L’énigme de la matière noire

4. © Jacques Colin (OCA) Les échelles dans l’univers L’énigme de la matière noire

5. © Jacques Colin (OCA) La matière noire dans l’univers Plus l’échelle est grande, plus la matière noire est dominante La masse de matière noire est 50 fois plus importante que celle de toutes les étoiles L’énigme de la matière noire

6. Rien n’interdit que la matière connue soit minoritaire la Terre n’est pas un lieu privilégié dans l’univers ni le Soleil ni la Voie lactée Les autres prédictions de la théorie du big bang se sont vérifiées Pourquoi pas celle-ci ? Aucune indication directe ni de la matière noire ni de l’énergie noire Toujours via des effets gravitationnels sur la matière visible Comprenons-nous réellement si bien la gravitation ? 95% d’inconnu, est-ce raisonnable? Oui ! Non ! L’énigme de la matière noire

7. Energie noire 70% du bilan énergétique répartie de façon extrêmement uniforme dans l’univers propriétés opposées à celles de la matière ordinaire (répulsion gravitationnelle) ressemble beaucoup à la constante cosmologique d’Einstein Matière noire 25% du bilan énergétique répartie à peu près comme les étoiles, mais en plus diffus propriétés analogues à la matière ordinaire, quoique elle interagisse moins longue liste de candidats rejetés liste encore plus longue de candidats imaginés Energie noire et matière noire L’énigme de la matière noire

8. La matière noire • Zwicky annonce en 1933 que la masse totale de l’amas de galaxies de Coma est 100 à 500 fois supérieure à la somme des masses des galaxies • Zwicky est connu pour • son caractère épouvantable • ses idées farfelues comme • l’existence de supernovae • l’existence d’étoiles à neutrons • … • Il est donc normal que presque personne ne s’y intéresse pendant près de 50 ans L’énigme de la matière noire

9. Les premières réactions furent mitigées : Les courbes de rotation de galaxies sont de plus en plus nombreuses, de plus en plus détaillées La dynamique des amas de galaxies se précise, et elle est confirmée par l’observation d’un intense rayonnement X, puis par la découverte de distorsions gravitationnelles de la lumière (arcs) La cosmologie du big bang se confirme, le mécanisme de formation des galaxies par instabilité gravitationnelle est mis au point, mais les observations du rayonnement cosmologique ne le permettent que s’il y a 10 à 50 fois plus de matière noire que de matière lumineuse Un peu d’histoire • La situation se modifie vers 1970 • Théorie du big bang acceptée • Détecteurs électroniques • Satellites d’observation X et radio L’énigme de la matière noire

10. Tournez manège La vitesse de rotation dépend de la masse qui attire, et de la distance de cette masse Distance 150 M km Vitesse 30 km/s Masse = Distance x (Vitesse)2 /G = 1Msol L’énigme de la matière noire

11. Les étoiles d’une galaxie Rotation autour du centre Distance 30 000 a.l. Vitesse 200 km/s Masse = Distance x (Vitesse)2 /G = 100 milliards Msol L’énigme de la matière noire

12. Courbes de rotation L’énigme de la matière noire

13. Un noyau dans un cocon En fait, une galaxie, ce n’est pas cela : C’est cela : L’énigme de la matière noire

14. Machos Axions Mauviettes (wimps) Quelle est la nature de la matière noire? • De la matière « normale » mais obscure? • poussières? • planètes, astéroïdes? • étoiles noires, brunes, blanches? • trous noirs stellaires? • trous noirs géants? • Neutrinos? • Un nouveau type de particule élémentaire stable? • très légère et très abondante? • très lourde et très rare? L’énigme de la matière noire

15. Disque dominant (étoiles, matière « ordinaire ») Halo dominant (matière « noire ») Conspiration Identité de nature ? MACHOS ?? L’énigme de la matière noire

16. Les machos • Comment détecter un objet qui n’est pas lumineux? • Via un effet gravitationnel ! • 1986 : Bohdan Paczynski montre que le passage d’un MACHO devant une étoile en amplifiepassagèrement la luminosité • Si le halo est plein de MACHOS, à chaque instant une étoile sur 10 millions est amplifiée de 10% (ce qui est détectable) Bohdan Paczynski n’est pas un MACHO ! L’énigme de la matière noire

17. Une masse dévie la lumière L’énigme de la matière noire

18. Le Grand Nuage de Magellan Galaxie irrégulière satellite de la Voie lactée • Il suffit de : • prendre une image chaque nuit • mesurer la luminosité de chacune des 10 millions d’étoiles résolues • comparer avec la luminosité de la veille, et des jours précédents • repérer les variations • ne pas confondre avec une étoile intrinsèquement variable Les collaborations MACHO et EROS ont patiemment fait cela de 1992 à 2002 L’énigme de la matière noire

19. Echec ! De nombreux effets d’amplification gravitationnelle observés, mais aucun attribuable à un MACHO Moins de 15% du halo de la Voie lactée est formé de MACHOS La voie est libre pour les MAUVIETTES L’énigme de la matière noire

20. Les mauviettes Revenons donc à la possibilité d’une nouvelle particule Certes mais laquelle ? Les théoriciens ne manquent pas d’imagination Les expérimentateurs non plus d’ailleurs, mais pour le moment sans succès Une sorte de neutrino lourd ferait bien l’affaire : un neutralino Ce serait un WIMP (weakly interacting massive particle) …mais wimp = mauviette L’énigme de la matière noire

21. Recherches directes • Une « mauviette » venue du halo cogne un noyau dans un cristal • Le choc est détecté • Difficulté: rayons cosmiques et radioactivité font pareil • Donc on s’enterre • On blinde le détecteur • On le refroidit vers -270°C • On élimine les parasites • On attend patiemment……… L’énigme de la matière noire

22. Pour le moment, l’attente continue Ceux-ci ont annoncé une détection, mais personne n’y croit car des expériences plus sensibles n’observent rien Zone attendue par les théoriciens © Leszek Roszkowski L’énigme de la matière noire

23. Recherches indirectes Dans bien des modèles, une mauviette et une anti-mauviette, c’est pareil Si le halo est plein de mauviettes, elles doivent donc s’annihiler fréquemment Le résultat de ces annihilations pourrait être une paire de rayons gamma, « facile » à détecter du sol ou de l’espace (Integral, Glast plus tard…) Ou des neutrinos, plus difficiles à détecter, mais des expériences sont en cours, au fond de la Méditerranée (Antarès) ou dans les glaces du pole Sud (Amanda) Deux des quatre télescopes à rayons gamma de HESS, en Namibie L’énigme de la matière noire

24. Modifier Newton et sa Dynamique ? Le problème de la matière noire vient du désaccord entre la quantité de matière lumineuse, que l’on « voit », et celle que l’on calcule à partir des mouvements de cette dernière en appliquant les lois de Newton Rien ne garantit que celles-ci soient correctes en dehors du domaine où elles sont bien vérifiées, le Système solaire En 1983, Mordehai Milgrom (Institut Weizmann) propose une légère modification de la relation F = m a (entre force et accélération) F = ma2/a0 quand a < a0 (et bien entendu F = ma quand a > a0) Cela « marche » admirablement bien L’énigme de la matière noire

25. © Mordehai Milgrom Modifier Newton (MOND) Inconvénients : modèle ad hoc, et qui ne fonctionne pas au-delà des galaxies (controversé) L’énigme de la matière noire

26. Univers parallèles? • Une idée souvent avancée • Plus difficile à quantifier • Encore plus à soumettre à l’expérience ! • Pour unifier gravitation et interactions électromagnétique et nucléaires, la théorie des cordes exige un espace à plus de trois dimensions • Il est possible que la matière et la lumière soient confinées dans trois dimensions (une brane), alors que la gravitation pourrait « sentir » les autres dimensions, et donc la matière s’y trouvant L’énigme de la matière noire

27. Méditons sur les mystères de l’univers L’énigme de la matière noire

28. Les amas de galaxies • Amas de galaxies de Coma • ~2000 galaxies • formant un essaim • tournoyant à 300 km/s • dans un rayon de qq M a.l. • à 150 M a.l. de nous L’énigme de la matière noire

29. Un homme très dynamique • Zwicky mesure les vitesses de quelques galaxies de Coma Energie cinétique ~ Masse x (Vitesse)2 • Ainsi que leurs distances mutuelles Energie potentielle ~ (Masse)2/Distance • Equilibre dynamique En. potentielle ~ En. Cinétique • Donc Masse ~ Distance x (Vitesse)2 • Il trouve ainsi 100 à 500 fois plus de masse que son estimation de la masse totale des galaxies de l’amas L’énigme de la matière noire

30. La dynamique des amas • Pendant 50 ans, Zwicky n’est pas pris au sérieux • La conclusion majoritaire est alors que, si les galaxies vont aussi vite, les amas sont des rassemblements éphémères • Il pourrait d’ailleurs s’agir des « nurseries » de galaxies, imaginées dans la théorie de l’Etat stationnaire, alors rivale de celle du Big bang • Et de nouvelles mesures des distances ramènent le désaccord à un facteur 20 à 100 • Mais le désaccord persiste ! • Dans les années 1980, deux indications indépendantes le confirment • l’intense émission de rayons X par les amas • la déviation des rayons lumineux par les amas (arcs et arclets) L’énigme de la matière noire

31. DSS Chandra Amas Abell 2029 en optique : les galaxies Amas Abell 2029 en rayons X : le gaz chaud Les amas aux rayons X L’énigme de la matière noire

32. Masse Masse totale Centre d’une galaxie 1014 Galaxie (visible) Gaz chaud Distance entre deux galaxies 1013 Taille d’un amas 1012 Etoiles 1011 1010 Taille 109 1 kpc 10 100 1000 Bien plus de gaz que d’étoiles et bien plus de matière noire que de gaz L’énigme de la matière noire

33. Amas de galaxies Abell 1689 (HST) Lentilles gravitationnelles L’énigme de la matière noire

34. Lentilles gravitationnelles © Jacques Colin (OCA) L’énigme de la matière noire

35. Reconstruction de la lentille © Yannick Mellier (IAP) L’énigme de la matière noire

36. ©Yannick Mellier (IAP) La masse d’un amas en avant-plan déforme les images des galaxies d’arrière-plan Distorsion gravitationnelle L’espace est plein de galaxies de toutes tailles, formes et orientations L’énigme de la matière noire

37. © Stéphane Colombi (IAP) Cisaillement gravitationnel L’analyse statistique de la forme des galaxies permet de reconstituer une carte en 3 dimensions de la matière noire L’énigme de la matière noire

38. Cisaillement gravitationnel L’analyse statistique de la forme et de l’orientation des galaxies permet de reconstituer la carte sous-jacente de la matière noire © Alexangre Refregier (CEA) L’énigme de la matière noire

39. Méditons sur les mystères de l’univers L’énigme de la matière noire

40. Cosmologie Courbure spatiale nulle, matière +énergie noire = 100% Une troisième série d’arguments, cosmologiques cette fois, indique la présence de matière noire Formation des galaxies Comptage des galaxies L’énigme de la matière noire

41. Masse et énergie déforment l’espace et le temps La relativité générale est un jeu d’enfant Courbure = densité d’énergie Courbure = courbure spatiale + courbure temporelle (expansion) L’énigme de la matière noire

42. Courbure nulle Energie noire 70% Matière 30% Rayonnement cosmologique Energie de la matière (E=mc2) Courbure de l’espace Amas et galaxies Supernovae Energie noire ou constante cosmologique Triangle cosmique L’énigme de la matière noire

43. Fond de rayonnement cosmologique Chaque tache indique une fluctuation de densité de l’ordre de quelques cent-millièmes L’énigme de la matière noire

44. Formation des galaxies et des étoiles • Si l’univers est homogène mais pas trop • les inhomogénéités vont s’accentuer et la matière se concentrer de plus en plus • les étoiles et les galaxies peuvent ainsi apparaître peu à peu • puis se forment les planètes, la vie… L’énigme de la matière noire

45. Les inhomogénéités ne dépassent pas 1/100 000 au départ La pression de rayonnement empêche la concentration pendant 400 000 ans Même ensuite, l’expansion de l’univers freine la concentration de la matière et la rend beaucoup plus difficile Il faut donc plus de matière une matière qui ne soit pas associée à la lumière une matière formée de particules assez lourdes pour ne pas aller trop loin et effacer les structures sitôt amorcées Autrement dit de la matière noire « froide » comme nos « mauviettes » ! Mais il faut de la matière noire L’énigme de la matière noire

46. Chaud ou froid ? Simulation avec de la matière noire froide Simulation avec de la matière noire chaude L’énigme de la matière noire

47. Méditons sur les mystères de l’univers • La matière noire semble omniprésente • à l’échelle des galaxies • à l’échelle des amas de galaxies • à l’échelle de tout l’univers visible • Elle suit la distribution de matière lumineuse mais elle est moins concentrée (parce qu’elle interagit moins?) • Elle na pas été détectée autrement que par ses effets gravitationnels sur la matière lumineuse • Peut-être doit-on réexaminer la loi de la gravitation ? • Mais c’est toute l’architecture de la physique qui est alors à revoir ! L’énigme de la matière noire

48. Merci de votre attention L’énigme de la matière noire