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La matière noire

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Candidats : les objets astrophysiques

Les astronomes ne voient pas tout le contenu de l'Univers. L'observation d'un objet s'appuie le plus souvent sur l'émission ou l'absorption d'ondes électromagnétiques par cet objet. Or il y a beaucoup d'objets qui émettent très peu de rayonnement, parce qu'ils sont trop loin, ou trop froids, etc... Les astronomes le savent bien, ils doivent faire preuve d'une minutie extrême pour, justement, détecter les objets les moins lumineux.

L'idée que l'Univers contient une grande quantité d'objets astrophysiques sombres est donc finalement assez naturelle. Nous allons dans cette page nous intéresser à quelques-unes des possibilités qui ont été envisagées, mais il faut souligner tout de suite que d'après la cosmologie, les candidats que nous allons énumérer ici ne peuvent constituer à eux seuls la totalité de la matière noire, puisque qu'il semble que la majeure partie de la matière noire soit de nature non baryonique, c'est-à-dire pas faite de matière ordinaire (pas avec des noyaux atomiques, en particulier).

On peut déjà remarquer que les objets opaques, "noirs", ne sont pas les plus difficiles à détecter. Ils absorbent la lumière, ce qui les trahit s'ils se trouvent devant d'autres objets brillants. Les objets transparents seraient beaucoup plus difficiles à voir, et il serait surement plus judicieux de remplacer de "matière noire" par celui de "matière transparente".

Nous allons considérer les objets qui pourraient avoir échappé à l'observation directe et discuter de leur plausibilité en tant que candidats à la matière noire, en commençant par les plus massifs et compacts pour finir par les plus diffus :

Un exemple de cas où l'on détecte quelque chose (ici la poussière qui se distribue selon un anneau autour d'une galaxie) par ce qu'il absorbe et non par la lumière qu'il émet. Il s'agit ici de Barnard 68.

Naines blanches

Les naines blanches sont des objets astrophysiques très fascinants, dont la compréhension fait intervenir des concepts de physique quantique, ce qui n'est pas courant a priori pour des objets macroscopiques. Les étoiles "ordinaires" doivent leur stabilité à l'équilibre entre deux forces. La gravitation tendrait à contracter l'étoile, alors que les forces de pression interne, dues in fine aux réactions nucléaires qui s'y déroulent, tendraient à l'expandre. Ces deux tendance s'équilibrent et les étoiles sont des objets relativement stables. Il arrive cependant un moment où les étoiles épuisent le carburant qui alimente les réactions nucléaires, si bien que la seconde force disparait. La première l'emporte et l'étoile, à ce moment, commence à s'effondrer. A partir de là, plusieurs scénarios sont possibles, selon la masse de l'étoile en question. Dans un de ces scénarios, la contraction de l'étoile est freinée par ce qu'on appelle la "pression de dégénérescence". Cet effet quantique vient du fait que les électrons obéissent au principe d'exclusion : le nombre d'états disponibles dans un volume donné est limité. Du coup, quand la limite est atteinte les électrons s'arrêtent, disent "stop on peut plus" (de leur petite voix fluette), ce qui bloque l'effondrement. L'objet final s'appelle une naine blanche.

Les naines blanches se mettent alors à refroidir et à devenir de moins en moins brillantes. Il a donc naturellement été proposé que la matière noire pouvait être faite en partie de naines blanches (pas de blague sur la matière grise svp... ), qui seraient trop peu lumineuses pour être observées. Le télescope spatial Hubble a permis d'écarter cette hypothèse, en montrant qu'on pouvait voir les naines blanches les plus anciennes (13 milliards d'années) donc les moins brillantes, et qu'il n'y en a pas assez pour constituer la matière noire. Il se trouve que de toutes façons, on ne voyait pas trop comment un nombre assez important de vieilles naines blanches pouvait être présent, il faut bien que ces objets se forment et au début de l'Univers, il n'y a pas encore assez d'étoiles pour donner beaucoup de naines blanches. Enfin, notons que ces objets devraient donner lieu à des microlentilles gravitationnelles, et les expériences qui recherchent ces événements ont permis de mettre des limites sérieuses sur la quantité d'objets de type que peut contenir notre Galaxie.

Les naines blanches vieilles, bien que peu brillantes, sont visibles par les intruments modernes. Ici, la découverte d'un grand nombre d'entre elles (les points dans les cercles) par le télescope spatial Hubble, dans l'amas globulaire M4.

Naines rouges, naines brunes, Jupiters

Les étoiles se forment par effondrement de grands nuages de gaz. La masse de l'étoile dépend de celle du nuage initial, et de fait, il existe des étoiles de beaucoup de tailles différentes. Toutefois, il existe une masse minimale (environ un dixième de la masse du soleil) en-dessous de laquelle les étoiles ne peuvent pas vraiment se former, car elles ne se contractent pas suffisamment et leur coeur n'atteint pas une température suffisante pour que les réactions thermonucléaires s'y allument. Les objets qui se forment comme les étoiles mais ayant une masse plus petite que cette limite, des étoiles ratées en quelque sorte, sont appelées des naines brunes. Les objets juste assez lourds pour former des étoiles sont appelés naines rouges.

Les naines rouges sont des étoiles peu brillantes, mais on peut tout de même les détecter assez facilement dans la galaxie par leur émission inrarouge. Ce sont des objets très abondants, peut-être autant que l'ensemble des autres types d'étoiles réunis. Toutefois, la masse totale de la population galactique de naines rouges ne suffit pas pour constituer plus d'environ 1% de la matière noire galactique (voir [1] pour une discussion synthétique, et [2] pour un exemple plus précis de limite expérimentale sur les naines rouges).

Les naines brunes sont beaucoup moins brillantes, et on a pensé, un moment, qu'elles pourraient constituer la matière noire. On sait maintenant que ce n'est pas le cas, pour deux raisons. Tout d'abord, on dispose maintenant des moyens technologiques pour les observer malgré leur faible luminosité, et on n'en observe pas assez pour que ce puisse être la matière noire. Ensuite de tels objets donneraient lieu à un nombre de microlentilles gravitationnelles bien plus important que ce qu'on observe.

Observation directe de naines brunes par plusieurs télescopes. Il s'agit ici d'un couple de naines brunes tournant l'une autour de l'autre, que l'on observe à différentes phases de leur rotation mutuelle. (source Ici)

Pour avoir une idée de ce à quoi peuvent ressembler les naines brunes, on peut s'imaginer un objet intermédiaire entre la planète Jupiter (1 millième de masse solaire) et une petite étoile (1 dixième de masse solaire). Les naines brunes les plus légères devraient en effet ressembler beaucoup à la planète Jupiter. Il a d'ailleurs aussi été envisagé que la matière noire pourrait être constituée d'objets de type jupiter, mais cette hypothèse est écartée par le même argument de microlentilles gravitationnelles que celui que nous avons évoqué plusieurs fois plus haut.

Planètes

Puisque l'on en est à recenser les objets astrophysiques difficiles à détecter, les planètes fournissent un excellent exemple. Les planètes ne sont visibles que par la lumière qu'elles réfléchissent de l'étoile autour de laquelle elles orbitent. Ceci représente en général une quantité de lumière très faible : les planètes sont des objets difficiles à voir si elles sont trop loin.

Celles du système solaire, bien sûr, sont assez faciles à voir (voir image suivante) car elles sont relativement proches. Par contre les planètes extra-solaires sont plus difficiles à détecter. Nous n'allons pas entrer ici dans ce vaste sujet, car il y a beaucoup de raisons pour lesquelles on peut rejeter ces objets comme candidat à la matière noire. Signalons tout de même qu'on peut détecter les planètes de plusieurs façons :

Portrait de famille du système solaire, pris par Voyager 2.

Cailloux

Dans le même ordre d'idée, l'espace contient tout un tas de cailloux de tailles diverses, allant des lunes des planètes aux astéroïdes. Ces objets sont constitués d'éléments qui ont été synthétisés dans les étoiles, à partir de nuages de poussière

Ce ne sont pas de bons candidats pour la matière noire non plus, car ils sont constitués d'éléments lourds, dont on sait qu'ils sont très minoritaires dans le bilan de masse de l'Univers.

Juste pour le plaisir de l'image, voici un (gros) caillou qui a connu son heure de gloire, grâce à l'imagination des artistes de Star Wars, avec un petit coup de pouce du hasard... Il s'agit (à gauche) de Mimas, une lune de Saturne (photographiée en 1980 par Voyager), et à droite de l'Etoile de la Mort, l'arme secrète de Darth Vador (Star Wars, 1977)...

Poussières

L'espace contient énormément (environ 1% du milieu interstellaire) de poussières, des petits grains de matière (du graphite et des silicates, essentiellement) avec une taille allant grosso modo de quelques nanomètres à quelques microns. Toutefois, malgré cette petite taille, les grains de poussière ne passent pas du tout inaperçus.

Exemples de grains de poussière interstellaire. Je n'ai pas trouvé de photo d'acarien en combinaison spatiale...

Comme on peut le voir sur les deux premières images de cette page, les nuages de poussière peuvent absorber totalement la lumière qui les traverse, ce qui les dévoile. L'image ci-dessous montre une situation moins drastique, mais dans laquelle la poussière se montre aussi par ses propriétés d'absorption. Ceci conduit d'une part à une diminution de la luminosité des objets qui se trouvent derrière (on parle alors d'extinction). D'autre part, elles diffusent les longueurs d'onde courtes (bleues) de façon plus efficace que les longueur d'ondes élevées (rouges). Ainsi, la lumière qui est transmise est rougie et la lumière qui est diffusée est bleuie (c'est exactement le même phénomène qui explique que le ciel est bleu et que les couchers de soleil sont rouges). C'est une signature très caractéristique de la poussière.

Carte indiquant l'importance du rougissement dans toutes les directions du ciel. La bande horizontale correspond au plan du disque de notre Galaxie. (source)

D'autre part, les nuages de poussière, en absorbant la lumière qui les traverse, sont chauffés à des températures de l'ordre de 20 K, et réémettent un rayonnement thermique l'on détecte dans le domaine des micro-ondes. Ce type d'observation fut par exemple un des succès du satellite COBE.

Enfin, les grains ne sont jamais parfaitement sphériques (voir photos ci-dessus), et ils ont tendance à s'aligner selon le champ magnétique local. La lumière qu'ils diffusent est alors polarisée. C'est une autre signature de la poussière. On voit donc qu'il est difficile pour elle de se cacher...

Pour que la poussière puisse prétendre au titre de candidat à la matière noire, il faudrait imaginer un type de grain qui diffuse toutes les longueurs d'onde de la même façon (diffusion achromatique). Il se trouve qu'un tel type de poussière a déjà été proposé (on l'appelle poussière grise), notamment pour fournir une explication alternative au fait que les supernovae très lointaines sont moins brillantes que ce à quoi on s'attend naïvement. Les cosmologistes favorisent une autre explication, celle de l'accélération de l'Univers par ce qu'il est convenu d'appeler l'énergie noire. En effet, plusieurs autres observations solides, que la poussière grise ne pourrait pas expliquer, indiquent que l'Univers est en expansion accélérée.

Notons que les nuages de poussières sont responsables de couleurs magnifiques dans un grand nombre de nébuleuses.

Un exemple de cas où l'on détecte quelque chose (ici la poussière qui se distribue selon un anneau autour d'une galaxie) par ce qu'il absorbe et non par la lumière qu'il émet. Il s'agit ici de la galaxie du sombrero.

Gaz

Le gaz constitue l'essentiel (environ 99%) de la matière interstellaire visible, qui elle-même constitue environ 15% de la masse visible de notre galaxie. A ce gaz visible pourrait s'ajouter une composante supplémentaire non détectée, laquelle jouerait le role de matière noire baryonique. Passons rapidement en revue les propriétés du gaz dans le milieu interstellaire (voir [3] pour une excellente revue sur le sujet).

Tout d'abord, la moitié du gaz se présente sous forme diffuse :

alors que l'autre moitié se présente sous la forme de nuages qui n'occupent que quelques % du volume de la galaxie. Ce sont

Ensuite, il y a plusieurs gaz présents, de l'hydrogène neutre, de l'hydrogène ionisé, de l'hélium, ainsi que tout un tas de molécules, notamment du dihydrogène H2, ainsi que d'autres molécules comme CH, CO, CN.

Il a été proposé à plusieurs reprises que la matière noire de notre galaxie pourrait etre constituée de gaz non détecté, et pour le comprendre il faut décrire un peu les méthodes de détection dont on dispose pour "voir" le gaz.

Carte indiquant la quantité de CO détecté dans toutes les directions du ciel. La bande horizontale correspond au plan du disque de notre Galaxie. (source)

Toutes ces méthodes de détection ne permettent pas d'être certain qu'on détecte la totalité des nuages de gaz de notre galaxie. En particulier, si des nuages très froids et compacts sont présents ils pourraient échapper aux observations.

Une méthode radicalement différente permet de détecter ces nuages, indépendamment de leur température. Les nuages sont plongés, comme l'ensemble del a Galaxie, dans un bain de rayons cosmiques, des noyaux (esentiellement des protons) de grande énergie. Il se produit alors des collisions entre les molécules/atomes du gaz et les protons cosmiques, ce qui conduit à des réactions nucléaires qui produisent, entre autres, des photons gamma. En observant le ciel en rayons gamma, on peut alors remonter à la quantité de gaz présente, à condition de bien connaitre la densité de rayons cosmiques.

Carte de l'émission gamma vue par EGRET.

Cette méthode a permis, très récemment, de mettre en évidence la présence de nombreux nuages de gaz qui avaient jusqu'alors échappé aux observations [4].

Remarque finale

Pour finir, rappelons bien que si finalement l'idée que de la matière ordinaire puisse se trouver sous une forme non détectée est tout à fait légitime, il n'en reste pas moins que la majeure partie de la matière noire est de nature non baryonique. Aucune des solutions qui précède ne peut donc résoudre le problème de la matière noire.


Bibliographie

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