• L'océan invisible

    Sciences de l'Univers

    Matière sombre : l'océan invisible

    (source : CNRS)

    C'est une énigme bien entêtante : la matière ordinaire représente moins de 5 % du contenu du cosmos, et plus de 95 % de l'ensemble manque à l'appel.

    Si I'énergie noire compte pour 70 % de l'Univers, de quoi se compose le reste ?

    Tout a commencé en 1933. L'astrophysicien américain Fritz Zwicky scrute l'amas de Coma dans la constellation de la Chevelure de Bérénice, à 150 millions d'années-lumière de distance. Cet objet se compose de milliers de galaxies comparables à notre Voie lactée. Et il révèle que leur vitesse de déplacement dans l'amas suggère qu'il y a là cent fois plus de matière que ce que l'on voit. La partie émergée de l'iceberg, en somme.

    En filigrane, le constat se dessine : les étoiles brillantes, les nuages de gaz et de poussière qui peuplent les galaxies ne sont que de vulgaires débris. Ils flottent à la surface d'un imposant océan, invisible et puissant, qui les ballotte. De même, dans les années 1960-1970, l'étude du mouvement des étoiles au cœur des galaxies semble prouver que celles-ci contiennent cinq à dix fois plus de matière invisible que de matière visible. Pour sauver les apparences, il a donc fallu « inventer » une matière, « noire » ou « sombre », de nature différente de celle que nous connaissons.

    Depuis dix ans, on assiste à une amélioration fulgurante de la qualité et de la quantité de données, constatent les scientifiques. D'une part, l'observation de la rotation des galaxies a confirmé la présence d'un halo de matière noire dix fois plus massif que les étoiles. D'autre part, les amas renferment un gaz chaud porté à des millions de degrés. Les mesures en rayons X des satellites Chandra (Nasa) et XMM (Europe) pointent ici vers une quantité de matière noire cent fois plus importante que la matière visible… Enfin, un autre outil a fait ses preuves dernièrement.

    Les lentilles gravitationnelles, ces mirages naturels prédits par la relativité, procurent un puissant moyen de sonder la géométrie de l'Univers. En surveillant les effets de microlentilles, on a pu déterminer que la matière noire galactique ne se compose pas d'atomes au sens classique du terme, avec noyau (protons et neutrons) et électrons ! On a baptisé Machos (Massive Halo Compact Objects) ces objets énigmatiques, et les chercheurs ont évalué qu'ils comptaient pour moins de 10 % de la quantité de matière totale qui hante notre galaxie.

    Dès lors, de quoi se compose le reste du contenu du cosmos qui ne correspond à aucun noyau atomique ni à aucune particule connue ? Nul ne le sait.

    Mais des idées se dessinent. Les physiciens ont déjà un candidat en tête – le neutralino – tout droit issu du monde de la supersymétrie, une extension possible du « modèle standard des particules », dont on recherche les signatures dans les grands accélérateurs. Son interaction avec la matière ordinaire serait très faible. Aujourd'hui, selon les dernières données disponibles, l'Univers qui nous entoure se décompose ainsi :

    • 70 % d'énergie noire de nature et de composition inconnues. Elle accélère l'expansion mais ne s'y dilue pas ;
    • 25 % de matière noire exotique (neutralinos de la supersymétrie ?) qui se dilue avec l'expansion ;
    • 4,5 % de matière ordinaire dont l'essentiel est sombre et ne brille pas. Les étoiles et la matière visible par ses rayonnements ou par son absorption de la lumière comptent pour 0,5 % seulement. Les éléments chimiques lourds tels que le carbone, l'azote, l'oxygène, le silicium et le fer représenteraient 0,03 %. Ce sont les constituants de la Terre et de la vie.
    • 0,3 % ou moins encore de matière noire chaude sous forme de neutrinos, abondants mais peu massifs.

            F. G. (source : CNRS)

    1. Le neutralino serait la superparticule liée aux trois interactions nucléaires faible, forte et électromagnétique.

    Energie noire, la grande inconnue

    « En 1998, le séisme est arrivé », raconte Pierre Astier, du Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies : l'expansion de l'Univers s'accélère sous l'influence d'une mystérieuse énergie noire. Celle-ci compterait pour environ 70 % du cosmos. Et on ignore tout de sa composition. Jusque-là, on savait, dans le cadre de la théorie du Big Bang et à la lumière de la relativité générale d'Albert Einstein, que l'Univers se dilate de façon régulière sous l'impulsion d'une « explosion » initiale. Dès lors, le travail des chercheurs se résumait à recenser le contenu du cosmos afin de le « peser » et de déterminer si l'expansion pourra s'arrêter, sous l'influence de la gravité. 

    Mais voici sept ans, les idées ont été chamboulées. Deux équipes indépendantes ont fait leur entrée en scène : le Supernova Cosmology Project et la High-z Supernova Search Team. Et elles ont observé une cinquantaine d'explosions d'étoiles lointaines (échelonnées entre 1 et 6 milliards d'années-lumière) assimilées à des supernovae de type Ia, c'est-à-dire à des déflagrations nucléaires naturelles. Ces phénomènes rares sont baptisés « bougies de référence », car leur luminosité absolue est constante et l'on sait parfaitement déterminer leur distance par deux méthodes différentes. Or, lors des observations de 1998, les supernovae les plus lointaines ont une lumière plus faible que celle attendue dans un Univers dont l'expansion est uniquement due à la matière ; dès lors, une conclusion s'impose. L'apparente faiblesse de luminosité s'explique par l'éloignement de l'astre. Sa galaxie hôte se trouve à une distance plus grande qu'on ne le pense. L'Univers doit donc s'être dilaté plus vite que prévu. Pour expliquer le phénomène, il faut donc « inventer » une mystérieuse énergie sombre qui donne un coup de fouet à l'expansion.

    Pour déterminer la nature de l'énergie noire, les chercheurs doivent débusquer des supernovae lointaines par centaines grâce aux téléscopes.

    © J.Ch.Cuillandre (CFHT)

     

    Cette découverte allait-elle ébranler la théorie du Big Bang ?

    « Pas le moins du monde. Elle ravive l'intérêt et ajoute du piment »,

    rassure Pierre Astier. Depuis 1998, deux confirmations de l'accélération sont d'ailleurs venues renforcer l'hypothèse.

    Et « les derniers résultats en date indiquent que ce régime d'expansion prévaut depuis environ quatre à cinq milliards d'années, soit 35 % de l'histoire de l'Univers », précise le physicien, qui appartient au groupe de recherche créé par Reynald Pain, seul Français ayant participé à l'épopée américaine du Supernova Cosmology Project. Les chercheurs français utilisent maintenant plusieurs télescopes, dont le Canada-France-Hawaï et le Very Large Telescope européen du Chili. La chasse aux supernovae lointaines est devenue un enjeu majeur pour ces instruments d'observation. L'ambition ? « En débusquer par centaines », s'anime Pierre Astier.

    Ceci est incontournable si l'on veut estimer comment l'accélération de l'expansiona évolué par le passé.

    Certains physiciens voient dans cette force répulsive la signature de ce qu'ils baptisent « énergie du vide ». Celle-ci reflète l'incroyable effervescence quantique du cosmos à petite échelle. Explications : les scientifiques voient le vide « ce qui reste lorsque l'on enlève tout » comme un milieu bizarre. Le néant absolu n'existe pas. Il y apparaît sans cesse des particules et des antiparticules virtuelles. Ces objets se créent et se désintègrent aussitôt. Il leur est associé une énergie irréductible que l'on appelle « niveau fondamental » ou, plus sobrement, « énergie du vide ».

    Et, selon une expérience proposée en 1948 par le Hollandais Hendrick Casimir, l'énergie du vide se comporte comme une pression. Une force de répulsion. D'où l'idée de l'identifier à l'énergie noire, qui semble faire « éclater » l'Univers. Pour d'autres, si l'énergie sombre évolue dans le temps, elle pourrait correspondre à tout un zoo d'objets exotiques constituant la quintessence ou « cinquième essence », à côté des quatre forces fondamentales. On l'aura compris, le destin de tout le cosmos est en jeu. Il devient urgent de lever les ambiguïtés. Avec les projets en cours, l'équipe française envisage de détecter 600 nouvelles supernovae en cinq ans. De son côté, le télescope spatial Hubble a découvert seize supernovae en 2003. Que le meilleur gagne, dans la quête de l'énergie noire !  

    Frédéric Guérin

    © S.Jungers/C&E

     

     

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