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La matière noire

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Les candidats : les objets astrophysiques sombres

Les objets astrophysiques

Il n'est pas insensé s'imaginer qu'il existe dans l'Univers de la matière qui n'émet pas suffisamment de lumière pour être vue directement. Après tout, la plupart des objets qui nous entourent dans la vie quotidienne n'émettent pas de lumière, on ne les voit que parce qu'ils sont éclairés par des sources externes. L'idée de matière noire baryonique est donc assez naturelle, finalement. Voici les principaux candidats qui ont pu être envisagés à un moment ou un autre :

Chacune de ces hypothèses peut conduire à des tests expérimentaux, car aucun des ces objets n'est parfaitement invisible, il devrait être possible de les voir directement. Reprenons-les dans l'ordre :

Les nuages moléculaires peuvent  conduire à l'émission de rayonnement gamma  quand ils sont traversés par le rayonnement cosmique (des particules chargées de haute énergie, rien à voir avec le rayonnement cosmologique dont on a parlé précédemment) que contient la Galaxie, ils peuvent aussi absorber une partie du rayonnement qui les traverse quand on regarde un objet placé derrière.

Les poussières ont tendance à absorber, diffuser et rougir la lumière qui les traverse, si bien qu'il ne peut s'en cacher une grande quantité...

Les naines brunes, les naines blanches (voir les images ci-dessous) et les étoiles à neutrons sont des objets de type stellaire qui émettent du rayonnement dans certaines longueurs d'onde. Les naines blanches ont la propriété de pouvoir se refroidir et donc s'éteindre (alors que la majorité des autres types d'astres s'échauffent au cours de leur évolution), si bien qu'on peut imaginer que l'Univers en contienne beaucoup sous forme éteinte et donc peu visibles. En fait, étant donné l'âge de notre Galaxie, on peut déterminer la luminosité des naines blanches les moins brillantes  qu'elle contient (ce sont les plus vieilles), et il se trouve que le télescope spatial Hubble est en mesure de les détecter. Difficile d'en cacher, donc...

Naine brune de 0.06 masse solaire (60 fois la masse de Jupiter), vue par Chandra par une éruption dans les rayons X.



   

Naines blanches. A gauche, naissance spectaculaire dans une nébuleuse. Au milieu, Sirius B, une naine blanche assez difficile à voir (la tache supérieure) à cause de l'aveuglement causé par Sirius A (l'objet principal). A droite, champ de vue de l'amas globulaire M4 dans lequel les naines blanches qui ont eu le temps de se refroidir apparaissent bien plus difficiles à observer...


Les naines brunes, les naines blanches, les étoiles à neutrons, et dans une certaine mesure les nuages moléculaires compacts et les trous noirs de masse stellaire, peuvent être détectés directement, ou bien par leur émission électromagnétique, ou bien par le phénomène de microlentille gravitationnelle, que nous décrirons plus loin. Les trous noirs plus gros que quelques millions de masses solaires sont exclus car ils auraient un effet destructeur sur les disques et les bulbes galactiques. Les trous noirs ayant une masse inférieure à celle de la Terre ne sont pas exclus, mais on ne connaît pas de mécanisme qui pourrait conduire naturellement à leur formation dans l'Univers primordial.

Il semble qu'aucun de ces candidats ne puisse réellement avoir toutes les propriétés requises pour résoudre le problème de la matière noire, même si l'on ne cherche qu'à mettre en évidence la petite fraction de nature baryonique. Les tentatives de détecter un surplus de ces objets ont en partie échoué (voir plus loin, microlentilles gravitationnelles). De plus, plusieurs de ces solutions sont dès le départ peu satisfaisantes, car on ne comprend pas vraiment comment une quantité importante de naines blanches ou de trous noirs, par exemple, pourrait se former pendant l'histoire de l'Univers.


Le gaz primordial

Il est possible de détecter les grands nuages primordiaux d'hydrogène, grâce à leurs propriétés d'absorption : en observant une source très lointaine (décalage vers le rouge de l'ordre de 2 ou plus) dont le spectre est connu, on peut voir des raies d'absorption causées par ces nuages. La raie d'absorption de chaque nuage est décalée vers le rouge d'un facteur qui dépend de la distance à laquelle il se trouve. On observe alors dans le spectre des quasars tout un tas de raies correspondant à l'ensemble des nuages qui se trouvent sur la ligne de visée. On parle de forêt Lyman alpha (Lyman alpha est le nom de la transition atomique qui donne naissance à la raie que l'on voit répétée à différents décalages vers le rouge). Leur étude est d'une grande importance en cosmologie, d'une part parce qu'elle permet d'étudier la manière dont les nuages sont répartis dans l'espace (et donc de tester les modèles de formation des grandes structures) et d'autre part parce qu'on peut mesurer la quantité de gaz présent dans les régions sondées. Le résultat net est que la densité de gaz observé est très compatible avec les prédictions de la nucléosynthèse primordiale. Dit autrement, on arrive à détecter la totalité des baryons dans l'Univers primordial, et il n'y a pas vraiment de problème de matière noire baryonique aux grandes échelles.


Forêt Lyman alpha obtenue dans une simulation numérique, dans une boîte de 30 millions d'années-lumière de côté.


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