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Si la distribution des galaxies est isotrope et la densité des masses
proportionnelle à la densité observée - donc sans que la matière
sombre obéisse à des lois particulières - le rapport
"masse-de-lumière" est de 300U,
soit 30 fois supérieur à ce qu'il devrait être si les galaxies était
constituées d'étoiles. Celles-ci n'entrent donc que dans quelques
pourcents de la masse totale de l'Univers et à peine 5% de sa densité
critique. La forme et la masse des
galaxies sont donc bel et bien "biaisées". Cette mise en évidence
de la matière sombre nous pousse à rechercher d'autres preuves de sa présence. La vitesse circulaire d'une étoile à une distance donnée dans une galaxie permet de calculer la courbe de rotation de cette galaxie. Ces mesures très délicates sont déterminées par l'effet Doppler sur les raies spectrales. Les courbes de rotation obtenues par Rubin ou Blitz sont basées sur le fait que la surface de brillance du disque est proportionnelle à la densité de surface qui est supposée ne pas contenir de matière sombre.
Avec une "masse-de-lumière" de 7U, la vitesse de rotation estimée des galaxies est 3 fois plus faible que la valeur observée, la courbe globale étant relativement plate jusqu'aux limites des galaxies. Au-delà de 30 kpc du noyau la densité du gaz interstellaire est si faible qu'il est souvent impossible de mesurer sa vitesse. Les astrophysiciens en concluent que le champ gravitationnel du disque est 10 fois trop faible pour corroborer la rotation que nous observons. Il faut donc en conclure que les étoiles et les autres corps lumineux constituent moins de 10% de la masse totale d'une galaxie. Les 90% restants sont composés de matière sombre. Puisque la vitesse de rotation des galaxies n'obéit pas aux lois de Kepler, grosso modo en carré inverse, toute la matière sombre doit être localisée dans un volume plus étendu que celui des étoiles. Elle doit se situer dans les régions extérieures des galaxies où la vitesse est plus ou moins constante sur les deux tiers de la distance au noyau. La densité de matière dans les bras d'une galaxie suit la loi empirique suivante :
avec, ro,
le rayon du noyau ro,
la densité centrale La distance maximale à laquelle on peut trouver de la matière sombre correspond au dernier point de mesure de la courbe des vitesses. Pour les galaxies jumelles ou ayant des satellites cette distance est supérieure à 100 kpc, soit une dimension linéaire pour la galaxie entière de 600000 a.l., six fois la Voie Lactée ! Cette distance sera corroborée par la méthode dynamique, en particulier par l'analyse des lentilles gravitationnelles. Dans ces conditions deux conclusions s'imposent déjà : 1°. La masse totale et l'étendue réelle des galaxie nous échappent. 2°. Entre 90 et 99% de la masse des galaxies est constituée de matière sombre ou est sous l'influence d'un phénomène inconnu. Tout indique que la matière n'est pas seulement contenue dans les étoiles. Puisque la lumière visible nous cache l'aspect réel des galaxies, seule l'évaluation précise de leurs courbes de rotation constitue une donnée fiable. La méthode dynamique basée sur la mesure des décalages spectraux permet également de déterminer la vitesse des galaxies le long de notre ligne de vue. Elle s'applique tant aux galaxies d'amas qu'aux étoiles, aux gaz et aux poussières qui se concentrent dans les galaxies. Si l'on considère que l'Univers est en équilibre thermodynamique ou plutôt en équilibre statistique - c'est le théorème du viriel - et que la loi de conservation de l'énergie doit être vérifiée dans tout système lié gravitationnellement, toutes les mesures confirment que la masse totale à n'importe quelle distance du centre de ce système est supérieure à la contribution des étoiles, du gaz interstellaire et des poussières. Dans tous les cas de figure, la dispersion des vitesses des galaxies et des galaxies d'amas s'écarte largement de la moyenne, si l'on tient compte que chaque luminosité solaire équivaut à une masse solaire. La première idée qui vient à l'esprit est de croire que ces systèmes ne sont pas liés gravitationnellement, puisque chaque galaxie évolue comme bon lui semble. Mais ce serait faire une grossière erreur car tant à l'échelle galactique qu'extragalactique les composants sont toujours liés. Il suffit de changer d'échelle pour se rendre compte qu'il ne s'agit pas d'un effet de perspective, mais d'une structure réellement hiérarchisée par la gravitation et le temps. Il faut alors se rendre à l'évidence et imaginer qu'il existe quelque chose d'invisible qui assure un lien gravitationnel suffisamment intense pour contrecarrer les mouvements internes propres des galaxies de ces amas. Il nous reste à découvrir si cette matière existait préalablement aux galaxies et permis leur formation ou si elle s'est formée en même temps qu'elles. Les théories qui suivent permettront d'avancer quelques hypothèses. La courbe de rotation des galaxies suggère que la matière sombre est contenue dans de vastes halos qui entourent les étoiles visibles[5]. Nous en avons la confirmation par l'analyse des sources rayons X. Pour les physiciens, ce rayonnement est issu d'un "bremsstrahlung" thermique provoqué par un plasma à 108K. Si on étudie l'amas de Coma en "lumière" X, l'une des plus brillantes sources à cette fréquence, sa "luminosité" atteint 1044 ergs/s[6]. Un calcul long et fastidieux permet d’estimer la concentration de toute cette masse gazeuse tout au plus à 30% de la masse des galaxies. 70% de leur masse est donc cachée. Ce plasma X est l’une des composantes de la matière sombre. Mais où donc se cache les 70% restant ? Il est impossible de trouver de la matière sombre très loin des galaxies, dans des halos très étendus car les forces de marées la disperserait dans tout l'amas dans lequel les galaxies baignent. Considérant que le modèle FRW est homogène et isotrope à grande échelle, si nous pouvons déterminer sa densité totale, nous pourrions en déduire les conséquences cosmologiques entrevues dans l'introduction. L'étude des galaxies réalisée par G.Efstathiou, R.S.Ellis, P.Peebles et leurs collègues[7] a démontré que la densité moyenne lumineuse était égale à 1.3x108 L¤/Mpc3. A un facteur 2 près, l'amas de Coma aurait une densité moyenne de 300U / 1200U¤, soit 0.25. Si Coma représente une partie significative de l'Univers, celui-ci serait ouvert. Mais nombreux sont les cosmologistes qui considèrent que l'équation W = 1 est un principe "copernicien", c'est-à-dire qu'il n'y a aucune chance que l'Univers soit passé de W = 1 dans le passé à W = 0.25 aujourd'hui. Dans ce cas il faudrait trouver une autre idée pour expliquer la régularité de l'émission du corps noir, dont la température a été réglée avec la précision d'un thermostat, nous y reviendrons.
D'autres considérations plus techniques tentent également à réfuter l'équation W = 1. Nous avons vu que la détermination précise de la constante de Hubble influence l'âge de l'Univers. Si les plus vieilles étoiles ont de 13 à 15 milliards d'années, le modèle FRW implique que la constante de Hubble ne peut pas dépasser 45 ± 9 km/s/Mpc, ce qui est très inférieur aux 65 km/s/Mpc généralement admis comme valeur la plus faible. Ses détracteurs estiment par exemple qu'un meilleur indice de la densité de l'Univers serait de calculer l'effet perturbateur des lentilles gravitationnelles. S'il y a en effet des fluctuations de densité perceptibles entre les galaxies et les étoiles, les observatoires orbitaux doivent pouvoir les mesurer. A l'heure qu'il est le satellite infrarouge IRAS n'a rien détecté jusqu'à 100 Mpc, ce qui signifie qu'une théorie FRW tenant compte de fluctuations linéaires est conforme aux observations. Cela signifie aussi que les objets restent soumis à des fluctuations de densité "locales", comprises entre 10 et 100 Mpc. Les cosmologistes en ont conclu que les galaxies "biaisées" devait obéir à la relation:
Avec b, le facteur de biais Théoriciens et praticiens ont découvert que l
oscillait entre 0.89 et 0.95 à 0.20 près, qui est consistant avec W
= 1. Pour l'astronome canadien Scott Tremaine, le facteur de biais est
proche de l'unité à grande échelle : "La distribution dans l'espace de phase des galaxies jusqu'à 100 Mpc
supporte le paramètre de densité W
= 1". Prochain chapitre Les lentilles gravitationnelles et la Nature de la matière sombre
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