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La matière noire

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Les propriétés de la matière noire

Nous avons vu, dans les pages précédentes, plusieurs indices plus ou moins cohérents indiquant que l'Univers contient de la matière noire. Essayons de réunir ce qu'on pense savoir des propriétés de la matière noire :

Quantité de matière noire

La cosmologie nous indique que la composition de l'univers serait approximativement (les chiffres sont à prendre avec un grain de sel, 73 % aujourd'hui, ce peut très bien être 80 % ou 60 % demain) :

L'étude des amas de galaxies indique que 90 % de leur masse est sous une forme invisible.

L'étude des galaxies elles-mêmes indique que la grande majorité de leur masse aussi est sous forme invisible.

Distribution de la matière noire dans l'espace : les amas de galaxies

L'observation des amas de galaxies permet de montrer que la matière noire est distribuée de façon moins concentrée, plus étendue, que la matière ordinaire.

Les simulations numériques : des grumeaux de matière noire ?

L'émergence de l'informatique a permis de disposer d'un outil nouveau pour étudier l'Univers : les simulations numériques. En faisant des hypothèses sur les propriétés de l'Univers primordial, on peut simuler son évolution jusqu'à aujourd'hui selon les lois de la physique, et comparer avec ce qu'on observe en effet. Ainsi, les simulations  permettent de retrouver la distribution de matière noire autour des amas de galaxies.  Elles permettent alors d'aller un peu plus loin que la "simple" comparaison avec les observations.

En effet, ces simulations indiquent que sur des petites échelles, la matière noire aurait tendance à former des grumeaux, avec des masses individuelles allant de celle de la Terre à celle d'une galaxie. La matière noire serait une pâte à crêpe englobant les amas de galaxies, contenant une multitude de grumeaux de petite taille. Ceci est bien encore débattu en long et en large au sein de la communauté scientifique depuis une dizaine d'années, mais si cela se confirme, cela pourrait avoir des conséquences importantes sur les perspectives de détection indirecte de la matière noire (voir plus loin). Voici quelques images issues de telles simulations par un des gourous du domaine, Ben Moore, qui a developpé des fermes d'ordinateurs spécifiquement dédiés à ce type de problème (la troisième image a nécessité a elle seule 6 mois de calcul).

Résultats issus de simulations effectuées par Ben Moore. A gauche, vue d'ensemble de la distribution de matière noire dans une tranche d'Univers d'un milliard d'années-lumière de côté. A droite, zooms successifs sur une région de 10 000 années-lumière de côté. Les deux zooms représentent une région faisant respectivement 100 années-lumière puis 1 année-lumière. La plus petite structure aurait la masse de la Terre, pour une taille de l'ordre de celle du système solaire.



Une vue possible de notre galaxie, selon les simulations de Ben Moore : les points brillants représentent les grumeaux de matière noire mentionnés plus haut.


Conclusion

Il est assez rassurant de voir que ces indices d'origine différente convergent vers la même conclusion, et il est tentant de conclure qu'il s'agit en effet du même problème dans les trois cas, à savoir que l'Univers contient une grande quantité de masse sous une forme que l'on ne voit pas. Mais cela soulève une nouvelle question : quelle est donc la nature de cette matière noire ?

Les prochains chapitres sont consacrés à cette question...


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