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La matière noire

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Détecter la matière noire : les objets astrophysiques sombres

La recherche d'objets compacts : les microlentilles gravitationnelles

Dans un sens, beaucoup d'observations du ciel peuvent être considérées comme des recherches de matière noire, on essaie de détecter des choses que l'on avait pas encore vues... Inversement, une expérience dont le but avoué est de détecter de la matière noire peut permettre de mieux connaître certaines caractéristiques d'objets astrophysiques connus mais dont certains avaient échappé à l'observation. Un exemple frappant est fourni par l'utilisation de micro-lentilles gravitationnelles. Nous avons vu plus haut que le champ gravitationnel d'un objet (la lentille) peut courber la trajectoire des rayons lumineux et changer l'apparence de l'image d'un autre objet situé derrière. Quand l'objet-lentille a une masse de l'ordre d'une fraction de masse solaire, l'effet peut être assez spectaculaire : le flux lumineux de l'image peut être amplifié par le passage de la lentille, et ce d'un facteur qui peut atteindre plusieurs dizaines.

Il a alors été imaginé par plusieurs équipes de rechercher la matière noire sous forme de telles lentilles ayant des masses sub-solaires, de la façon suivante : on surveille un certain nombre d'étoiles, et quand une d'entre elles devient soudainement plus brillante, on se penche sur son cas... Plusieurs phénomènes, autres que celui de lentille gravitationnelle, peuvent causer cet éclat soudain : une variation de luminosité de l'étoile-cible elle-même par exemple. Différents tests  permettent de trier les candidats et d'isoler les microlentilles gravitationnelles. Par exemple, la variation de luminosité devrait être indépendante de la couleur pour les microlentilles, ce qui n'est pas le cas des autres phénomènes, souvent associés à un changement de température de l'étoile.

Ce phénomène est rare, et il faut observer des millions d'étoiles si on veut détecter quelques événements de microlentille. Ceci n'a pour le moment pu être fait que dans des régions très denses en étoiles : le centre galactique et les nuages de Magellan (l'expérience AGAPE étend cette méthode pour l'appliquer à la galaxie d'Andromède M31). Si la matière noire est faite d'objets compacts susceptibles de donner lieu à ces événements de microlentille gravitationnelle, alors on peut calculer le nombre de ces événements que devrait induire la matière noire contenue dans le halo de notre Galaxie.

Ces événements ont effectivement été observés, mais en quantité plus faible que ce qui était prédit par les modèles. L'analyse précise des résultats indique que le halo de la Galaxie ne peut pas être constitué de plus de 20 % d'objets ayant des masses comprises en 10-6 et 1 masse solaire. Cette gamme de masse recouvre tous les objets de type naines brunes, étoiles de faible masse.

Deux images d'une même région du ciel, à deux dates différentes, montrant un événement de microlentille gravitationnelle (source).

Le suivi de la luminosité des événements au cours du temps, dans deux filtres optiques différents, permet de différencier les microlentilles des étoiles variables.

Limites sur les masses des objets compacts que peut contenir la galaxie, en fonction de la fraction de matière noire qui peut se trouver sous la forme d'objets compacts.

Les objets sombres étendus

Si un objet sombre est trop diffus, il ne donne pas lieu au phénomène de lentille gravitationnelle. On peut cependant le détecter par ses propriétés d'émission s'il contient du gaz. Plusieurs découvertes de tels objets sombres ont été faites ces dernières années. Par exemple, une équipe a récemment mis en évidence l'existence d'une grande quantité de gaz d'hydrogène, grâce à ses propriétés d'émission dans le domaine des ondes radio. Comme le montre la figure ci-dessous, cet objet est totalement invisible dans le domaine optique. La courbe de rotation de cet objet sombre a pu être mesurée, indiquant une masse représentant l'équivalent d'une galaxie. Il s'agirait donc d'une "galaxie noire". Voir ici pour la publication scientifique.

Image optique de la région du ciel dans laquelle la galaxie noire décrite dans le ciel a été découverte. On devrait parler de matière transparente plutôt que de matière noire, car il s'agit bien d'un objet au travers duquel on voit les objets plus lointains.

Signalons aussi la découverte de nuages sombres au voisinage du système solaire cette fois, détectés grâce à leur émission dans le domaine des γ ainsi que dans le domaine radio. Si ces nuages sont représentatifs du milieu galactique, ils pourraient représenter plusieurs milliards de masses solaires. Voir ici pour plus de détails.

Pour conclure sur ce point, nous insistons sur le fait que ces découvertes ne résolvent pas le problème de la matière noire : il s'agit ici de matière baryonique, alors que la majorité de la matière noire n'est pas constituée de baryons.


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