|
|
|
Les problèmes du modèle Standard Les effets de la matière sombre (III) Il y a enfin la méthode des lentilles gravitationnelles proposée par le physicien Anthony Tyson des AT&T Bell Laboratories. Aussi loin que les méthodes photographiques classiques peuvent sonder l'Univers, on recense quelque 18000 galaxies/degré carré. En utilisant des photomultiplicateurs sensibles entre 0.3 et 1 micron de longueur d'onde, les astronomes du Chili et d'Hawaï sont parvenus à décompter 300000 galaxies/degré carré[8]. Cette explosion du nombre de galaxies bleues à grande distance peut-être très utile pour mesurer les effets gravitationnels car on les distingue facilement derrière les galaxies plus rouges de l'avant-plan, celles qui servent à cartographier la distribution de la matière sombre.
Ainsi que le prédit la théorie de la relativité, la distorsion provoquée par une lentille gravitationnelle sur un amas de galaxies oscille entre quelques secondes et plus d'une minute d'arc. Grâce aux quelques quasars dont l'image est divisée par des galaxies situées à l'avant plan - une bonne dizaine sur plus de 4000 -, Tyson[9] a pu estimer leur distorsion en fonction de la masse et du rayon des galaxies déflectrices. Il a découvert que la matière sombre intervenait pour plus de 90% dans la masse globale.
S'il est facile de connaître la distorsion subie par une masse située à l'arrière-plan en connaissant la distribution de la masse d'une lentille gravitationnelle située à l'avant-plan, le problème inverse est plus difficile. Tyson s'est attaché à celui-ci. La question était d'évaluer l'importance de la matière sombre, c'est-à-dire sa distribution dans une lentille gravitationnelle.
Il existe heureusement une relation entre la surface de brillance d'une galaxie (la fonction de distorsion) et le paramètre d'impact "r" (qui symbolise en quelque sorte le "rayon" de la déviation sur la lentille). Les courbes établies par Tyson à partir des mesures faites sur l'amas de galaxies Abell 1689 indiquent que la distorsion des images s'étend jusqu'aux confins de l'amas. La matière sombre est donc distribuée de façon régulière, et ce jusqu'à 10 kpc au moins du centre de l'amas, la courbe perdant ensuite de son intensité. Entre 10 et 100 kpc environ, la perte d'éclat atteint plus de 3 magnitudes. Cette courbe se superpose à celle d'une distribution de masse normalisée ainsi que sur celle établie en lumière rouge sur base des galaxies de l'avant-plan. A l'heure actuelle aucune étude n'a encore été faite sur de plus vastes échelles, au-delà de 300 kpc du centre des amas ou sur des amas de galaxies beaucoup plus vastes. Mais une observation est confirmée. La matière sombre s'étend sur une échelle beaucoup plus vaste que la galaxie optique. Sinon les grands arcs que l'on observe dans les amas relaxés se seraient brisés en fragments de quelques secondes d'arc. Mais l'étude se poursuit car la distribution exacte de la matière sombre dans les amas de galaxies n'est pas encore connue. On peut malgré tout en déduire avec Tyson que "la plus grande partie de la masse des amas, tant invisible que visible se situe dans 100 kpc autour du centre [...] et réside principalement dans sa composante diffuse. [...] Sur l'ensemble des observations, la matière sombre associée aux galaxies et aux régions centrales des amas ne représente que 10 ou 20% de la densité critique de l'Univers." Nous pouvons en conclure que si Ω = 1, il y a lieu d'investiguer d'urgence l'Univers dans des régions écartées des amas, sinon les cosmologistes auront des difficultés pour expliquer cette faible densité.
La nature de la matière sombre Tous ces indices ont fini par nous convaincre que la matière sombre existe, mais depuis des décennies on ne sait toujours pas grand chose sur sa nature. A défaut de l'identifier, on peut rechercher quelle est la contribution des autres particules connues et de certaines particules hypothétiques de théories connues. Plusieurs classes d'objets peuvent constituer la matière sombre, les uns issus de l'astrophysique classique, les autres des théories de supersymétrie : - les objets massifs effondrés (naines blanches, naines brunes, étoiles à neutrons, trous noirs) - les nuages interstellaires - les MACHOs (Massive Compact Halo Objects) constitués de corps sombres très massifs de la taille d'une planète - les neutrinos, présents dans le rayonnement stellaire - les axions, neutralinos et les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particules) qui sontdes particules exotiques massives peu interactives. On sait que l'abondance des éléments baryoniques selon le modèle FRW donne Ω ≤ 0.02 ou 5% de la densité critique. A l'heure actuelle les étoiles à neutrons, les trous noirs ou les nuages interstellaires sont trop isolés et ne constituent tout au plus qu'une fraction de la matière sombre. Si on estime le nombre d'étoiles à neutrons à 100 millions par galaxie, leur masse totale ne constituerait qu'une fraction négligeable de la matière sombre. Parmi
les composantes connues de la matière sombre, les MACHOs peuvent jouer un
certain rôle. Dans la Voie Lactée, les astronomes ont détecté plus de
200 évènements liés à des phénomènes de microlensing
gravitationnels. La plupart seraient créés par des petits corps de la
taille d'une planète comme Jupiter passant entre une étoile et la ligne
de visée des observateurs. D'autres ne seraient que les manifestations de
la variabilité de certaines étoiles. Selon le
David Bennett de l'Université Notre Dame en Indiana, parmi les
20 millions d'étoiles analysées dans le cadre du projet
MACHO, 8 évènements de microlensing restent suspects et seraient
provoqués par des objets de 0.5 M Une règle est déjà acquise. Le manque évident d'évènements de très courte période élimine une partie des MACHOs comme candidat à la matière sombre : tous les corps dont la masse est comprise entre un dixième et un millionième de fois celle du Soleil (soit tous les corps dont la masse est comprise entre cent fois celle de Jupiter et celle des planètes telluriques). Ces projets liés à la découverte des MACHOs sont très importants car ils permettent de déterminer l'échelle de grandeur des candidats à la matière sombre. Ils monopolisent aujourd'hui de nombreuses équipes d'astronomes, en particulier au Mont Stromlo en Australie. Mais d'ores et déjà, ces petits corps sont trop peu nombreux pour expliquer la masse cachée de l'Univers. Ils comptent vraisemblablement comme l'une des composantes de cette matière sombre.
Quant aux WIMPs : axions, neutrinos massifs, neutralinos, monopôles, newtorites, photinos et autres particules issues des GUT et des théories de supersymétrie, rien ne prouve qu'ils existent. Bien que certains soient intégrés dans les modèles ΛCDM, ils n'existent actuellement qu'au niveau conceptuel, sur le tableau noir et les écrans d'ordinateurs des théoriciens. Ceci dit, on estime que ces particules massives et peu interactives a priori présentes dans le halo de matière sombre de la Voie Lactée nous bombardent à raison de 10 millions de particules par mètre carré chaque seconde ! Leur densité évaluée à partir de la vitesse de rotation de la Voie Lactée représente le tiers de la masse d'un proton par centimètre cube. Que penser de toutes ces hypothèses ? Du fait qu'il s'agit encore de concepts purement spéculatifs, jusqu'en 1990 environ, il était pratiquement impossible qu'une équipe de chercheurs obtienne des fonds pour financer un projet de détection de particules chimériques issues de l'univers des GUT ou de la supersymétrie. Mais comme dans tous les domaines, sans théorie il est difficile de prédire l'existence de quelque chose et sans instrument on ne peut pas espérer découvrir ce quelque chose... Sauf exception, la théorie devancera toujours les faits. Il faut donc que les directeurs des instituts scientifiques acceptent de prendre des risques, certes calculés. Les commanditaires ont donc fini par céder. Aujourd'hui, face au succès théorique des théories de supersymétrie, de nombreux projets de détection directe ou indirecte des WIMPs ont vu le jour. Parmi ceux-ci citons les expériences de détection des neutrinos du LLNL en 1994 et du CERN en 2012, le détecteur de WIMP (neutralino) cryogénique fabriqué par le Fermilab en 2005 (expérience CDMS), l'expérience sur les monopôles conduite en 2015 par près de 2900 scientifiques de l'équipe ATLAS du CERN et l'expérience XENON1T en cours (voir dernière page). En théorie, on pourrait également les détecter dans les installations du CERN lors de leur annihilation sous forme de rayons gamma. Encore faut-il les différencier des rayons gamma émis par le coeur de la Galaxie et les sources discrètes extragalactiques. A ce jour, aucune expérience ni observation n'a détecté ces particules hypothétiques (cf. les trois problèmes de la matière sombre). En revanche, elles ont permis de fixer des limites inférieures d'énergie ou d'observer d'autres phénomènes comme la décroissance du xénon-124. On y reviendra. La recherche continue comme l'explique cet article de Richard Taillet du LAPTH/CNRS. Si la matière sombre semble bel et bien de nature non-baryonique, celle-ci se serait formée durant le genèse de l’Univers. Prenons les neutrinos connus pour interagir très faiblement avec la matière. En 2015, la mission Planck a permis de confirmer qu'il n'existe que 3 saveurs de neutrinos pour une masse globale inférieure à 0.23 eV soit plus de 130 fois inférieure aux premières estimations (30 eV-80 MeV)[10], ce qui représente une masse 2.2 millions de fois inférieure à celle de l'électron. C'est franchement léger ! Mais s'ils existent réellement, les neutrinos massifs auraient permis à la matière de s'agglomérer bien trop fort, les germes devenant de plus en plus grands, en créant des vides bien trop étendus. Leur masse élevée n'a pas encore été confirmée par l'observation. On y reviendra. Bien que ces neutrinos paraissent trop légers pour être les candidats que nous recherchons, a priori leur grand nombre pourrait plaider en leur faveur.
Bien que les rayons cosmiques transportent plusieurs milliards de particules par seconde, il est très difficile d'y repérer le moindre neutrino. La théorie des particules élémentaires prédit que pour chaque atome il y a 100 millions de neutrinos et un milliard de photons. Les neutrinos sont donc tout aussi abondants que les photons et vu leur abondance, ils influencent notre destin. En 1988, Tyson considérait que les neutrinos, même s'ils existaient dans les halos qui entourent les galaxies, ne dominaient pas la matière sombre. Depuis 1998, les astrophysiciens et notamment Michael Turner a calculé que les neutrinos ne contribuent pas plus que les étoiles à la densité critique, soit à peine 0.5%. On peut donc pratiquement exclure les neutrinos de la liste des candidats représentant la matière sombre. Pour tenter d'expliquer la présence de cette matière non-baryonique, deux autres théories ont été proposées. Mais elles doivent préserver l'aspect actuel de l'Univers. L'une est basée sur la théorie inflationnaire, l'autre sur des défauts topologiques appelés des "textures". On y reviendra page suivante. Toutes deux font appel aux mécanismes de Higgs et à des particules appelées inflatons pour briser la symétrie originelle et former les grandes structures cosmiques que nous observons. Si le modèle inflationnaire a reçu l'accréditation d'une majorité d'astronomes, son explication de l'évolution de l'Univers conserve quelques incertitudes quant à la nature de la matière (matière baryonique et exotique) qui remplit l'Univers et son organisation à grande échelle. Nous sommes sûrs d'une seule chose. Selon John Ellis du CERN, il se peut parfaitement que nous soyons fait d'une matière différente de l'ensemble de l'Univers dont les 2/3 de la substance est de nature inconnue. Des particules exotiques tels les axions (de la famille des bosons de Goldstone qui ne respectent pas toutes les lois de conservations fondamentales) ou une nouvelle particule scalaire hypermassive est peut-être d'une énergie telle qu'elle réside en dehors des capacités actuelles des accélérateurs de particules. Des équipes du CERN, du LLNL et de MIT tentent toutefois de trouver les traces de leurs éventuelles interactions lorsqu'elles se transforment par exemple en lumière en présence d'un champ magnétique intense. Mais ici également, aucune expérience n'a mis en évidence les axions ou un nouveau scalaire.
Si on remplace les neutrinos par les axions, ces dernières particules hypothétiques auraient une masse infime, de l'ordre de 10-5 ±1 eV, soit un million de fois inférieure à celle de l'électron. Dans tous les cas, ils ne sont pas en adéquation avec le modèle inflationnaire car les axions n'ont jamais été détectés dans les laboratoires alors qu'ils devraient abonder dans l'Univers. Mais Schramm et Dearborn s'opposent à cette affirmation. Ils estiment que les axions peuvent apparaître dans l'effet Compton, suite à une collision photon-électron ou lors d'une collision entre particules chargées, y compris les noyaux. Selon Dearborn, ces axions pourraient très bien expliquer le spectre particulier des positrons émis lors des collisions d'ions lourds dans les accélérateurs de particules. Il apparaît en effet une raie à 336 KeV indépendamment de la nature des corps mis en présence. Cette raie inconnue découverte par les physiciens de Darmstadt pourrait être la signature de la désintégration des axions en positrons. Cette raie pourrait également donner aux physiciens une estimation de la limite de la masse cachée de l'univers. Mais tous les chercheurs ne partagent pas l'avis de nos physiciens en particulier Yin Wong qui considère depuis 1983 que "l'énigme de Darmstadt" - le fait que des projectiles atomiques ne choisissent pas leur noyaux-cibles au hasard (cf. W.Mayer et al.) - ne fait qu'appliquer la théorie de Dirac. Le problème reste entier[11] Si les axions existent, la densité de l'Univers serait alors très faible. On peut retrouver la densité de l'Univers en faisant appel à d'autres particules hypermassives, les superparticules et d'autres entités exotiques. Mais le modèle du Big Bang s'écroulerait dans cette hypothèse. L'estimation du nombre de particules hypermassives à l'époque du découplage de la GUT implique que leur masse devrait dépasser la densité d'énergie. Leur nombre serait tel que la température du corps noir serait tombée à 2.7 K quelque 30000 ans après le Big Bang. Reste à interrompre par un mécanisme quelconque la production des particules hypermassives. Mais cette théorie est posée de manière ad hoc, a posteriori, comme s'il fallait à tout prix défendre la théorie des axions. Même si certaines théories prédisent leur existence, posée en ces termes, elles ont peu de chances d'être supportées par la majorité des physiciens qui demandent un peu plus de rigueur et de cohérence. "Oui aux axions, non aux actions irréfléchies" pourrait-on dire ! Un nouveau scalaire formé durant l'inflation ? Dans une étude publiée par le physicien théoricien Tommi Tenkanen de l'Université John Hopkins (JHU) et ses collègues dans les "Physical Review Letters" en 2019, les chercheurs suggèrent que la matière sombre serait constituée de nouvelles particules créées pendant la phase d'inflation de l'Univers. En utilisant un nouveau cadre mathématique simple, l’étude montre que la matière sombre a peut-être été créée au cours de l'inflation. Les cosmologistes et les théoriciens pensent que durant cette période, l'expansion exponentielle de l'Univers entraîna une production abondante de certains types de particules appelées scalaires (cf. L.Arturo Ureña-Lόpez, 2016; M.Artymowski et al., 2018; G. Alonso-'Alvarez, 2018). Jusqu'à présent, une seule particule scalaire a été découverte, le fameux boson de Higgs.
Selon Tenkanen, "Nous ne savons pas ce qu'est la matière sombre, mais si elle a quelque chose à voir avec des particules scalaires, elle serait peut-être plus ancienne que le Big Bang. Avec le scénario mathématique proposé, nous n’avons plus à assumer de nouveaux types d’interactions entre la matière visible et la matière sombre au-delà de la gravité car nous savons qu’elle existait déjà." Bien que l'idée selon laquelle la matière sombre existait "avant" ou se forma durant le Big Bang ne soit pas nouvelle, d'autres théoriciens n'ont pas été en mesure de proposer des calculs qui soutiennent cette idée. Cette nouvelle étude montre que les chercheurs ont toujours négligé le scénario mathématique le plus simple concernant l'origine de la matière sombre. Cette étude suggère également un moyen de tester l'origine de la matière sombre en observant les signatures qu'elle aurait laissées sur la répartition de la matière dans l'Univers. Selon Tenkanen, "cette connexion entre ces particules et les galaxies pourrait également être utilisée pour révéler l'identité de la matière sombre et tirer des conclusions sur les temps qui ont précédé le Big Bang. Si la matière sombre était vraiment un vestige du Big Bang, dans de nombreux cas les chercheurs auraient déjà dû constater un signal direct de matière sombre dans différentes expériences de physique des particules." Prochain chapitre
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
.
