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Les problèmes du modèle Standard

Le futur télescope LSST.

A la recherche de la matière sombre (V)

Le projet GC3

Pour tenter de mieux comprendre les origines de l'Univers, les physiciens ont tiré profit des superordinateurs sous les auspices du Grand Challenge Cosmology Consortium (GC3). Le projet qui vit le jour en 1993 fut dirigé par Jeremiah Ostriker et rassemble des chercheurs, physiciens et informaticiens de six universités et plusieurs centres privés de recherches. Grâce à la puissance d'un superordinateur CRAY T3D, ces chercheurs espèrent mieux comprendre comment se forma la structure de l'Univers à grande échelle et en particulier quel fut le rôle de la matière et de l'énergie sombres sur la formation initiale des galaxies et des superamas de galaxies.

Pour les aider dans leur tâche, il est important que les astrophysiciens continuent à leur fournir des données en sondant l'univers le plus loin possible, c'est-à-dire à plus de 10 milliards d'années-lumière et des redshift Z~0.3 et supérieurs afin de cartographier en trois dimensions la répartition des galaxies quelques milliards d'années seulement après le Big Bang et tenter d'analyser leur composition et d'estimer leur masse parmi d'autres paramètres.

Le télescope LSST

Autre projet, en 2007 quelques dizaines d'astronomes, parmi lesquels John Huchra (†2010), Robert Kirshner et Anthony Tyson ont proposé de construire un Dark Matter Telescope dont la maquette est présentée à droite, un télescope optique de 8.4 m de diamètre constitué d'un seul miroir capable d'atteindre la magnitude 24 en 20 secondes d'exposition. Le projet verra le jour sous la forme du Large Synoptic Survey Telescope ou LSST qui devrait être opérationnel en 2021. Sachant qu'il existe une galaxie bleue de 29e magnitude toute les secondes d'arc du ciel, le LSST permettra de suivre l'évolution de l'univers à grande échelle en découpant les temps cosmiques comme le fit la "Z-machine" du CfA en tranches de 3° d'angle. Cet instrument très sensible aura également pour mission de détecter les MACHOs et les astéroïdes NEO dans le cadre du programme Spacewatch de la NASA.

Le projet DESI

Parallèlement à l'analyse du ciel et aux recherches en physique des particules, en 2015 le Département de l'Energie américain donna son accord pour le financement du projet DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) géré par le Laboratoire LBL de Berkeley proposé par l'équipe d'Amir Aghamousa. Ce projet auquel participent une équipe de 200 physiciens et astronomes internationaux débutera en 2019. Héritié du sondage BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) du SDSS, il utilisera le télescope Mayall de 4 m du Kitt Peak installé en Arizona et géré par la NOAO. Il travaillera en collaboration avec le télescope Blanco de 4 m du CTIO installé au Chili.

Le projet DESI consiste en un ensemble spectrographique multi-objets composé de 10 spectrographes exploitant chacun 3 bandes spectrales (B, R et proche IR) reliés à 5000 câbles en fibre optique pouvant produire 5000 spectres de galaxies en parallèle.

La mission de DESI consistera à tracer la matière sombre dans l'Univers en photographiant de manière automatique le spectre des galaxies. Le but du projet est d'établir une cartographie 3D des objets du ciel très fond mais dans un volume dix fois plus vaste que le sondage BOSS. DESI recherchera 4 types d'objets : les galaxies brillantes jusqu'à Z=0.4, les galaxies rouges lumineuses (ERO) jusqu'à Z=1, les galaxies affichant des raies d'émissions jusqu'à Z=1.6 et les quasars très distants jusqu'à Z=3.5.

A gauche, le projet DESI qui sera installé en 2019 sur le télescope Mayall de 4 m de diamètre du Kitt Peak. Le détecteur (en vert) sera placé au plan focal du télescope tandis que les 10 spectrographes reliés par fibre optique seront installés à l'écart de l'instrument (en-dessous à droite) A droite, le détecteur XENON1T installé sous terre dans le Laboratoire National de Gran Sasso en Italie. Le cryostat contient du LXeTPC dont les atomes devraient entrer en collision avec d'éventuels WIMPs et émettre des flash lumineux. Sur la partie droite se trouve un building de trois étages contenant les systèmes auxiliaires. Document Collaboration DESI et Roberto Corrieri et Patrick De Perio.

Le détecteur XENON1T

En attendant que ces projets soient opérationnels, après trois ans de construction à l'abri d'une caverne pour minimiser au maximum les rayonnements naturels parasites, en 2017 une équipe internationale de 135 scientifiques annonça que leur détecteur XENON1T présenté ci-dessus à droite et installé au Laboratoire National de Gran Sasso en Italie était opérationnel. Cet instrument dédié à la détection des particules massives faiblement interactives, les fameux WIMPs a pour but de détecter les flashes qui devraient se produire lors de la collisions des hypothétiques WIMPs avec des atomes de xénon. Il s'agit d'un cryostat dont la chambre contient du xénon liquide refroidi à -95°C. Toute trace de collision se matérialisera par une ionisation du liquide suivie d'une phénomène de scintillation ressemblant à des flashes que les scientifiques pourront étudier pour caractériser la nature exacte des particules incidentes. A ce jour, XENON1T est le détecteur de matière noire le plus sensible.

D'autres lois : la théorie MOND

Selon l'Israélien Mordehai Milgrom de l'Institut des Sciences Weizmann de Rehovot, l'existence de la matière sombre ne sera jamais qu'une hypothèse car cette idée découle en réalité de l'inadéquation des lois de la gravitation et de la dynamique.

Comme alternative à la théorie de la matière sombre, en 1983 Milgrom proposa la théorie MOND (MOdified Newtonian Dynamics) qui fut formalisée par Jacob Bekenstein en 1984 lui apportant un support inespéré et qui la formalisa dans le cadre de la relativité en 2004.

Milgrom part du constat qu'on ne connaît pas la précision de la loi de Newton au-delà du Nuage de Oort, à 0.1 pc. Dès lors, il s'est demandé si on ne pouvait pas modifier le paramètre de l'accélération gravitationnelle afin que cette loi soit notamment conforme avec les courbes de rotation des galaxies.

Si l'idée de Milgrom avait tout du sacrilège dans l'esprit des défenseurs de la physique newtonienne, dans le fond il avait raison. Pourquoi pas ?, se dirent les scientifiques les plus ouverts qui examinèrent sa proposition. En effet, dans tous les contextes astrophysiques, la présence de matière sombre (ou noire) n'est nécessaire que lorsque l'accélération de la gravité tombe sous la valeur critique de ao = 2 x 10-10 m/s2. Selon Milgrom, sous cette valeur l'accélération a d'une masse M ponctuelle située à une distance R ne suivrait plus la valeur newonienne a = GM/R2 mais serait égale à √(a.ao). Autrement dit, l'attraction gravitationnelle n'est plus proportionnelle à la masse M mais à la racine carrée de cette masse.

Milgrom modifie l'équation de la gravité sous la forme :

a = √( G M ao / R ), avec ao = 2 x 10-10 m/s2

Du coup l'attraction gravitationnelle varie maintenant en 1/R et non plus en 1/R2. Si on applique cette loi aux galaxies, on constate que les courbes de rotation sont plates jusque très loin du centre.

La vitesse Vrot de rotation obéit alors à la relation:

V4rot = G M ao, avec M la masse visible de la galaxie

Appliquée à la Voie Lactée et aux galaxies proches, cette loi donne de remarquables résultats. Pratiquement toutes les courbes de rotation peuvent s'appliquer sans recourir à de la matière sombre et sans paramètre libre, ao étant une constante universelle. Même les galaxies naines a priori dominées par la matière sombre s'accordent avec cette loi.

Relation de Tully-Fisher de la masse des baryons visibles d'une galaxie par rapport à la vitesse de rotation de cette galaxie dans les parties extérieure où elle est plate. Document S.S.McGaugh, 2011.

Un autre succès de la théorie MOND est de prédire la relation Tully-Fisher. En 1977, les astronomes américains Brent R. Tully et Richard J. Fischer découvrirent une relation entre la vitesse de rotation des galaxies spirales et leur luminosité, qui fut baptisée la "relation de Tully-Fischer". Avec le temps, la luminosité fut remplacée par la masse visible totale, y compris le gaz.

Comme l'indique le graphique présenté à gauche, cette relation montre que la masse visible des galaxies varie comme V4, ce que prédit exactement la théorie MOND. En revanche, le modèle Standard (ΛCDM sous régime newtonien) ne prédit pas la même pente ni le même point zéro.

De plus, les implications sur les rapports M/L, qu'ils soient calculés en lumière blanche ou en infrarouge, ne sont pas conformes à la réalité. La luminosité des galaxies, une fonction L1/4 dans la relation de Tully-Fischer deviendrait une fonction L1/2 par exemple[15].

On a bien tenté de rechercher pourquoi si peu de baryons étaient visibles et se condensaient dans les galaxies. Pour les galaxies massives, les astronomes ont évoqué l'effet des trous noirs supermassifs sur les noyaux actifs ainsi que l'effet du souffle des supernovae dans les galaxies naines qui auraient pu empêcher la condensations du gaz et la formation des étoiles. Mais ce ne sont que des hypothèses.

Mais la théorie MOND présente un défaut majeur. Si on modifie le paramètre de l'accélération gravitationnelle, le mathématicien Robert H. Sanders[16] aujourd'hui à l'Université de Groningen aux Pays-Bas a démontré en 1990 que ses implications restaient de toute façon inadéquates en relativité générale dans les limites des champs faibles. Précisons que R.Sanders a écrit un  livre en anglais sur le sujet (voir ci-dessous).

Selon l'astronome français Richard Taillet, "la voie MOND est une approche intéressante dans la mesure où elle apporte une réponse fondamentale aux problèmes de la matière noire, d'une manière qui est falsifiable, c'est-à-dire qui peut être confirmée ou infirmée par des observations. Il est possible que les fondements théoriques de MOND ne soient pas aussi solides que ses partisans le prétendent, mais il est encore trop tôt pour que la question soit tranchée. C'est en tout cas une hypothèse à garder en tête."

En conclusion, il faut bien admettre que nous ne savons pas encore de quoi l'Univers est constitué et à quelles lois il obéit réellement ! Mais soyons optimiste. Les découvertes des satellites COBE, WMAP et Planck nous réconfortent tout de même avec une réalité moins exotique et rassurent les chercheurs sur l'exactitude de leurs lois qui sont tous les jours validées jusqu'aux limites de l'Univers que leurs instruments peuvent atteindre.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Les missions COBE, WMAP et Planck

La matière et l'énergie sombres dans l'univers

Vidéos

Énergie noire et modèles d'univers (présentation), F.Combes, Collège de France

Les simulations cosmologiques de matière noire (présentation), F.Combes et al., Collège de France

Le problème de la matière noire : galaxies spirales (présentation), F.Combes et al., Collège de France

Sur Internet

La matière noire, Richard Taillet, LAPTH

La théorie MOND, R.Taillet

Cours de Cosmologie, SAF/IAP

Cosmology Tutorial (en partie en français), Ned Wright, UCLA

The evidence for dark matter in galaxies, Michael Richmond, RIT

Dark Matter, Jaan Einasto, 2010

M31 and a Brief History of Dark Matter, Morton Roberts, 2007

Sources and Detection of Dark Matter and Dark Energy in the Universe, 6th UCLA Symposium, 2004

Dark Matter 2002, 5th UCLA Symposium

Large Synoptic Survey Telescope (LSST)

Edelweiss, Expérience de détection directe de WIMPs, CNRS

Grand Challenge Cosmology Consortium, GC3

Warm Dark Matter, P.Bode, P.Ostriker et N.Turok, U.Princeton

Dark Matter, Center for Particle Astrophysics

Dark Matter and Large Scale Structure, Joel Primack, SLAC

Cosmos in fast forward, simulations, U.Illinois

The Dark Matter Universe, U.Oregon

UK Dark Matter Collaboration

Cosmological Dark Matter: An Overview, Alex Markowitz, UCLA

Project CLEA : The large scale structure of the universe, U.Gettysburg

WIMPS versus MACHOS, D.Bennett, U.Notre Dame

DEEP project, Obs.Lick.

Quelques livres (cf. détails dans ma bibliothèque dont la rubique Cosmologie)

Niveau vulgarisation

Le Futur du cosmos: Matière noire et énergie, Joseph Silk, Odile Jacob, 2015

La matière noire. Clé de l'Univers ?, Françoise Combes, Vuibert, 2015

Le mystère de la matière noire, Gianfranco Bertone, Dunod, 2014

A la recherche de la matière noire : histoire d'une découverte fondamentale, Robert Sanders, De Boeck, 2012

Matière sombre et énergie noire, Alain Bouquet et Emmanuel Monnier, Dunod, 2008

Matière noire et autres cachotteries de l'Univers, Alain Bouquet et al., Dunod, 2003

Niveau avancé ou universitaire

Dark Matter. Theories on its Origin & Substance, Paul F. Kisak, CreateSpace Independent Publishing Platform, 2015

The Dark Matter Problem: A Historical Perspective, Robert H. Sanders, Cambridge University Press, 2014

Cosmologie. Des fondements théoriques aux observations, Francis Bernardeau, EDP Sciences, 2007

Dark Matter In The Universe, John Bahcall, Tsvi Piran, Steven Weinberg, World Scientific Publishing Co Pte Ltd, 2004

The Third Stromlo Symposium, No. 165: The Galactic Halo, Astronomical Society of the Pacific, 1999.

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[15] Cette fonction en L1/4 suit la loi de Tully-Fischer qui vérifie la relation L~ V4, dans laquelle V est la vitesse de rotation maximale. Elle se ramène à M~ V4 si le rapport M/L est constant pour toutes les galaxies. Lire M.Aaronson et al., Astrophysical Journal Supplement, 50, 241, 1982.

[16] R.H.Sanders, "Mass discrepancies in galaxies: dark matter and alternatives", Astronomical and Astrophysical Review, 2, 1, pp.1-28, 1990.


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