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La matière noire

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Les grumeaux de matière noire

Généralités

Toutes les structures que l'on observe dans l'Univers ont été formées par l'effondrement gravitationnel d'inhomogénéités de densité [1]. Ceci signifie que les zones plus denses engendrent une gravité plus forte et attirent la matière qui les entoure, ce qui amplifie la surdensité. Ainsi, les zones surdenses deviennent de plus en plus denses. Toutefois, quand la densité devient trop élevée, d'autres processus entrent en jeu et limitent la croissance. Par exemple les forces de pression peuvent devenir importantes s'il s'agit d'un gaz (on a alors apparition d'ondes acoustiques) ou d'un solide (comme dans le cas des planètes) ou bien des phénomènes plus subtils, comme la diffusion, la propagation libre (free streaming) ou la relaxation violente [2] dans le cas de la matière noire, peuvent entrer en jeu.

Dans le scénario de matière noire froide (CDM), qui semble correspondre à l'Univers dans lequel on vit, les petites structures commencent à s'effondrer avant les plus grandes (ceci est dû au fait que dans notre Univers, les perturbations sur des échelles trop grandes passent une partie de leur histoire en étant causalement déconnectées, car chaque bout de la perturbation est trop loin des autres, la perturbation ne se voit pas elle-même en quelque sorte). Les plus petites structures s'effondrent donc plus vite, et les grandes structures se forment par accrétion de structures plus petites déjà formées. (Notons que certains objets ne se forment d'une facon différente, par fragmentation d'un nuage de gaz en train de se refroidir. C'est le cas en particulier des étoiles [3]). Au cours de cette accrétion les sous-structures sont partiellement détruites, mais pas complètement. Il reste donc dans les structures qu'on observe la trace des premières structures formées. En particulier, les halos de matière noire devraient être caractérisés par une certaine inhomogénéité, une certaine granularité. Ils contiennent des grumeaux. On peut alors se demander quelle est la taille de ces grumeaux. Attention, la question n'est pas ici de déterminer la masse des plus petits objets visibles, comme dans [4], mais bien celle des plus petites structures de matière noire..

Des structures sont présentes dans l'Univers sur des échelles spatiales très différentes. A gauche un amas de galaxie s'étendant sur plusieurs Mpc, à droite un amas ouvert et un amas globulaire, s'étendant sur quelques pc, sur fond d'étoiles.

La réponse à cette question passe par une compréhension des mécanismes qui interdisent aux fluctuations trop petites de se former ou de survivre. Suivons donc de près l'évolution des particules de matière noire lorsque l'Univers se refroidit.

Ces effets sont évalués et comparés dans [5], par exemple, et c'est le dernier qui détermine la taille minimale des objets qui peuvent se former de cette façon.

Formation des grumeaux

La réponse à la question de départ n'est cependant pas nette, et tous les auteurs ne sont pas d'accord sur la taille minimale des structures primordiales qui nous entourent. Certains citent une masse de l'ordre de la masse de la Terre (un millionnième de celle du Soleil), d'autres une masse un million de fois plus importante que celle du soleil.

L'importance des grumeaux pour la détection de matière noire

La question de l'existence de ces grumeaux est cruciale, car elle bouleverse les perspectives de détection de la matière noire, en particulier celle de la détection indirecte. En effet, nous avons vu que l'on peut espérer mettre en évidence la matière noire en détectant tout ce pourrait résulter de l'annihilation de particules de matière noire. Or, si celles-ci sont concentrées dans des grumeaux, leurs chances de se rencontrer et donc de s'annihiler sont augmentées. Plus la concentration dans les grumeaux est importante, plus le signal de détection indirecte devrait être élevé. La profusion de petits clumps conduirait de plus à des effets uniques. Par exemple, l'émission gamma venant des annihilations de neutralinos pourrait former des sources se déplaçant dans le ciel avec des mouvements propres importants, de l'ordre de 1 arcmin par an.

Notre méconnaissance des caractéristiques de ces grumeaux entraîne une incertitude énorme dans tous les calculs de détection indirecte, mais aussi dans ceux de détection directe, qui dépendent de notre position relative par rapport à ces grumeaux : sommes-nous à l'intérieur de l'un d'entre eux ? Le plus proche est-il au contraire très loin ?

Survie des grumeaux

La question de savoir quels grumeaux survivent à l'histoire mouvementée de la formation des structures plus grandes est complexe. Nous ne mentionnons ici qu'un résultat récent indiquant, sur la base de simulations numériques, que les structures qui ne sont pas lavées par le "free streaming", c'est-à-dire ayant une masse supérieure à 10-6 Msol dans le cas de neutralinos, ou même 10-13 Msol pour des axions, survivent en grand nombre et devraient etre présentes dans le halo de notre galaxie [13].

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 grande incertitude dans cette affaire, c'est l'influence des forces de marée sur la cohésion des structures. Leurs effets sont observés dans certains systèmes liés, comme des galaxies en interaction ou des amas globulaires, mais on ne dispose pas encore de réponse claire quant à leur effet sur l'évolution des grumeaux.

Des "queues de marée" sont observées dans les amas globulaires. Ce sont des trainées d'étoiles que laisse l'amas derrière lui, du fait de l'influence gravitationnelle de son environnement. Il s'agit ici d'observations de l'amas 47 Tuc, analysées par [14]. La flèche pleine indique la direction du plan galactique, les tirets la direction du centre galactique et les points la direction du mouvement propre de l'amas. On voit que l'amas perd ses étoiles dans la direction du centre galactique.

Une illustration plus spectaculaire des forces de marée : des galaxies en interaction. Il s'agit ici de NGC 4676.

Les contraintes sur les grumeaux

On peut tout de même mettre quelques contraintes sur les propriétés des grumeaux de matière noire.

Tout d'abord, s'ils sont présents en grande quantité dans les halo de galaxies, ils devraient induire des effets de lentille gravitationnelle particuliers. Les expériences de recherches d'événements de microlentilles gravitationnelles ont d'ailleurs permis de montrer que le halo de notre galaxie ne pouvait pas être majoritairement formé d'objets compacts avec des masses comprises entre 10-6 et quelques masses solaires. Par contre, rien n'interdit l'existence de tels objets pourvu qu'ils ne soient pas compacts (techniquement, ceci signifie qu'ils sont plus grands que leur rayon d'Einstein). Et de fait, l'observation de telles structures par effet de lentille a été annoncée [9] [10]. Il s'agit d'observations d'images multiples dans des mirages gravitationnels, dans lesquels le flux et la position de chaque image dépendent de la distribution de masse dans la lentille. Il semble que dans certains de ces mirages, le flux de certaines images soit plus élevée que ce que n'expliquent les modèles. Une manière de réconcilier les observations et les modèles est de supposer que la lentille contient des sous-structures. Cette hypothèse est encore discutée par les spécialistes du domaine.

A gauche, archétype du mirage gravitationnel : la Croix d'Einstein. Au milieu, image de Jupiter et son satellite Io, à la même échelle, pour donner une idée de la taille de la Croix d'Einstein dans le ciel. A droite, Jupiter et la Lune sur une même image pour donner une idée de la taille de Jupiter dans le ciel.

Variation sur trois ans du flux lumineux de chacune des images, observée par Lewis et Irwin.

Pour en dire un peu plus sur ces lentilles gravitationnelles, il y a plusieurs moyens de tester l'hypothèse que l'amplification des différentes images est en partie due à des sous-structures. L'un deux est la variabilité temporelle de l'amplification, illustrée sur la figure précédente. Un autre est de combiner des observations spectrales dans des bandes très différentes, venant de régions de la source ayant des tailles très différentes. Comme l'amplification est assez sensible à la taille des sources, elle pourra être très différente dans différentes longueurs d'onde.

Deux images de la Croix d'Einstein prises dans des longueurs d'onde très différentes.

Ensuite, ces grumeaux devraient perturber les disques des galaxies spirales et même dans certains cas conduire à leur destruction. Le fait qu'on n'observe pas cette destruction permet de contraindre la masse des grumeaux [8]. Ce sont surtout les gros grumeaux qui menacent les disques, et ces considérations n'imposent pas vraiment de contraintes sur les petits grumeaux.

Les simulations numériques de formation de structures cosmologiques permettent aussi, au moins en principe, de déterminer les propriétés de ces grumeaux. Pour le moment les résultats des différentes simulations sont encore discordants, et les différents groupes essaient de se mettre d'accord sur leur contrôle des erreurs numériques.

Enfin, sans parler de destruction, les grumeaux auraient pour effet de "chauffer" le disque galactique, dans le sens qu'ils augmentent la dispersion de vitesse des étoiles du disque, et donc l'épaisseur de ce disque. Il se trouve qu'en effet, on observe que les populations stellaires les plus jeunes ont une dispersion de vitesse plus faible, et que donc il doit exister un mécanisme qui chauffe le disque, pour faire passer la dispersion de vitesse de 10-20 km/s à 60-80 km/s en environ 10 milliards d'années. Il est bien connu que des inhomogénéités du milieu peuvent conduire à cet effet, mais la question reste de savoir de quelle inhomogénéité il s'agit ici. Il pourrait s'agir de l'action des nuages moléculaires géants qu'on observe dans notre galaxie, mais leur effet semble trop faible [12]. La possibilité que ce soit des grumeaux de matière noire a été étudiée par exemple dans [11].

Trois étapes d'une simulation de l'action de grumeaux sur un disque galactique, par [12]. Cliquer ici pour voir l'animation gif..

Conclusion

On ne connaît pas le dernier mot à propos de ces grumeaux, mais le sujet est absolument crucial pour l'étude de la matière noire.

Bibliographie

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