Les problèmes du modèle Standard

Les effets de la matière sombre (III)

Il y a enfin la méthode des lentilles gravitationnelles proposée par le physicien Anthony Tyson des AT&T Bell Laboratories. Aussi loin que les méthodes photographiques classiques peuvent sonder l'Univers, on recense quelque 18000 galaxies/degré carré. En utilisant des photomultiplicateurs sensibles entre 0.3 et 1 micron de longueur d'onde, les astronomes du Chili et d'Hawaii sont parvenus à décompter 300000 galaxies/degré carré[8]. Cette explosion du nombre de galaxies bleues à grande distance peut-être très utile pour mesurer les effets gravitationnels car on les distingue facilement derrière les galaxies plus rouges de l'avant-plan, celles qui servent à dresser la carte de la matière sombre.  

Les galaxies bleues A gauche 30 heures de pose ont été nécessaires au Télescope Spatial Hubble pour enregistrer ces galaxies bleues de 30eme magnitude. Le champ couvre environ 10" et la résolution atteint 0.06". A droite une image couvrant un champ arbitraire du ciel de 4.5' x 5.7'. Après analyse Anthony Tyson confirme l'existence de quelque 300000 galaxies bleues par degré carré du ciel, la plupart ayant un redshift compris entre 0.5 et 3 ! Documents HST.

Ainsi que le prédit la théorie de la relativité, la distorsion provoquée par une lentille gravitationnelle sur un amas de galaxies oscille entre quelques secondes d'arc et plus d'une minute. Grâce aux quelques quasars dont l'image est divisée par des galaxies situées à l'avant plan - une bonne dizaine sur plus de 4000 -, Tyson[9]a put estimer leur distorsion en fonction de la masse et du rayon des galaxies déflectrices. Il a découvert que la matière sombre intervenait pour plus de 90% dans la masse globale.  

Principe de l'effet de lentille gravitationnel. Un ou plusieurs objets massifs (galaxies, étoiles) situés entre nous et la source distante dévient la lumière par effet gravitationnel. Adapté d'une illustration réalisée par Anthony Tyson.

S'il est facile de connaître la distorsion subie par une masse située à l'arrière-plan en connaissant la distribution de la masse d'une lentille gravitationnelle située à l'avant-plan, le problème inverse est plus difficile. Tyson s'est attaché à celui-ci. La question était d'évaluer l'importance de la matière sombre, c'est-à-dire sa distribution dans une lentille gravitationnelle.

Il existe heureusement une relation entre la surface de brillance d'une galaxie (la fonction de distorsion) et le paramètre d'impact "r" (qui symbolise en quelque sorte le "rayon" de la déviation sur la lentille). 

Les courbes établies par Tyson à partir des mesures faites sur l'amas de galaxies Abell 1689 indiquent que la distorsion des images s'étend jusqu'aux confins de l'amas. La matière sombre est donc distribuée de façon régulière, et ce jusqu'à 10 kpc au moins du centre de l'amas, la courbe perdant ensuite de son intensité. Entre 10 et 100 kpc environ, la perte d'éclat atteint plus de 3 magnitudes. Cette courbe se superpose à celle d'une distribution de masse normalisée ainsi que sur celle établie en lumière rouge sur base des galaxies de l'avant-plan.

A l'heure actuelle aucune étude n'a encore été faite sur de plus vastes échelles, au-delà de 300 kpc du centre des amas ou sur des amas de galaxies beaucoup plus vastes. 

Mais une observation est confirmée. La matière sombre s'étend sur une échelle beaucoup plus vaste que la galaxie optique. Sinon les grands arcs que l'on observe dans les amas relaxés se seraient brisés en fragments de quelques secondes d'arc. Mais l'étude se poursuit car la distribution exacte de la matière sombre dans les amas de galaxies n'est pas encore connue.

On peut malgré tout en déduire avec Tyson que "la plus grande partie de la masse des amas, tant invisible que visible se situe dans 100 kpc autour du centre [...] et réside principalement dans sa composante diffuse. [...] Sur l'ensemble des observations, la matière sombre associée aux galaxies et aux régions centrales des amas ne représente que 10 ou 20% de la densité critique de l'Univers". Nous pouvons en conclure que si W = 1, il y a lieu d'investiguer d'urgence l'Univers dans des régions écartées des amas, sinon les cosmologistes auront des difficultés pour expliquer cette faible densité.  

La nature de la matière sombre

Tous ces indices ont fini par nous convaincre que la matière sombre existe, mais on sait très peu de chose sur sa nature. A défaut de la trouver, on peut rechercher quelle est la contribution des autres particules connues. 

Plusieurs classes d'objets peuvent constituer la matière sombre :

- les objets massifs effondrés (étoiles brunes, étoiles blanches, étoiles neutrons, trous noirs)

- les nuages interstellaires

- les MACHOs (Massive Compact Halo Objects) constitués de corps sombres très massifs de la taille d'une planète

- les neutrinos, présents dans le rayonnement stellaire

- les axions, neutralinos et les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particules) des particules exotiques massives peu interactives

On sait que l'abondance des éléments baryoniques selon le modèle FRW donne W  £ 0.02 ou 5% de la densité critique. A l'heure actuelle les étoiles neutrons, les trous noirs ou les nuages interstellaires sont trop isolés et ne constituent tout au plus qu'une fraction de la matière sombre. Si on estime le nombre d'étoiles neutrons à 100 millions par galaxie, leur masse totale ne constituerait qu'une fraction négligeable de la matière sombre.

Parmi les composantes connues de la matière sombre, les MACHOs peuvent jouer un certain rôle. Dans la Voie Lactée, les astronomes ont détecté plus de 200 événements liés à des phénomènes de microlensing gravitationnels. La plupart seraient créés par des petits corps de la taille d'une planète comme Jupiter passant entre une étoile et la ligne de visée des observateurs. D'autres ne seraient que les manifestations de la variabilité de certaines étoiles. Selon le Pr David Bennett de l'Université Notre Dame en Indiana, parmi  les 20 millions d'étoiles analysées dans le cadre du projet MACHO, 8 événements de microlensing restent suspects et seraient provoqués par des objets de 0.5 M_¤.

Une règle est déjà acquise. Le manque évident d'événements de très courte période élimine une partie des MACHOs comme candidat à la matière sombre : tous les corps dont la masse est comprise entre un dixième et un millionième de fois celle du Soleil (soit tous les corps dont la masse est comprise entre cent fois celle de Jupiter et celle des planètes telluriques).

Ces projets liés à la découverte des MACHOs sont très importants car ils permettent de déterminer l'échelle de grandeur des candidats à la matière sombre. Ils monopolisent aujourd'hui de nombreuses équipes d'astronomes, en particulier au Mont Stromlo en Australie. Mais d'ores et déjà, ces petits corps sont trop peu nombreux pour expliquer la masse cachée de l'Univers. Ils comptent vraisemblablement comme l'une des composantes de cette matière sombre.

Quant aux WIMPs : axions, neutrinos massifs, neutralinos, monopôles, newtorites, photinos et autre particule issue des GUT et des théories de supersymétrie, rien ne prouve qu'ils existent. Bien que certains soient intégrés dans les modèles LCDM, ils n'existent actuellement qu'au niveau conceptuel, sur le tableau noir et les écrans d'ordinateurs des théoriciens.

C'est pour cette raison que jusqu'en 1990 environ, il était pratiquement impossible qu'une équipe de chercheurs obtienne des fonds pour financer un projet de détection de particules chimériques issues du monde des GUT ou de la supersymétrie. Mais comme dans tous les domaines, sans théorie il est difficile de prédire l'existence de quelque chose et sans instrument on ne peut pas espérer découvrir ce quelque chose... Sauf exception, la théorie devancera toujours les faits. Les commanditaires ont donc fini par céder. Aujourd'hui, avec le développement et les succès (théoriques) des théories de supersymétrie, des projets de détection des neutralinos ont vu le jour au LLNL et dans des laboratoires Européens, tandis que le Fermilab a récemment fabriqué un détecteur de WIMP (neutralino) cryogénique fonctionnant près du zéro absolu...

Si la matière sombre semble bel et bien de nature non baryonique, celle-ci se serait formée durant le genèse de l’Univers. Prenons les neutrinos. Ne participant qu'à l'interaction faible, interagissant donc peu avec la matière, selon les premières observations, leur masse, toutes familles de neutrinos confondues, devait osciller entre 30 eV et 80 MeV, soit dix milles fois inférieure à celle de l'électron ![10]. Mais s'ils existent réellement, ces neutrinos massifs auraient permis à la matière de s'agglomérer bien trop fort, les germes devenant de plus en plus grands, en créant des vides bien trop étendus. Leur grande masse n'est pas confirmée par l'observation in situ. En 1999, à partir des données atmosphériques recueillies par Y.Totsuka et les données solaires recueillies par T.Kirsten et N.Bahcall, leur masse minimale a été réestimée à 0.1 eV.

Bien que les rayons cosmiques transportent plusieurs milliards de particules par seconde, il est très difficile d'y repérer le moindre neutrino. La théorie des particules élémentaires prédit que pour chaque atome il y a 100 millions de neutrinos et un milliard de photons. Les neutrinos sont donc tout aussi abondants que les photons et vu leur abondance, ils influencent notre destin. En 1988, Tyson considérait que les neutrinos, même s'ils existaient dans les halos qui entourent les galaxies, ne dominaient pas la matière sombre. Depuis 1998, les astrophysiciens estiment que les neutrinos ne contribuent pas plus que les étoiles à la densité critique, soit à peine 0.5%.

Pour tenter d'expliquer la présence de cette matière non baryonique, deux autres théories ont été proposées. Mais elles doivent préserver l'aspect actuel de l'Univers. L'une est basée sur la théorie inflationnaire, l'autre sur des défauts topologiques appelés "texture". Toutes deux font appel aux mécanismes de Higgs pour briser la symétrie originelle et former les structures cosmiques que nous observons.

Si le modèle inflationnaire a reçu l'accréditation d'une majorité d'astronomes, son explication de l'évolution de l'Univers conserve quelques incertitudes quant à la nature de la matière (matière baryonique et exotique) qui rempli l'univers et son organisation à grande échelle. Nous sommes sûr d'une seule chose. Selon John Ellis du CERN, il se peut parfaitement que nous soyons fait d'une matière différente de l'ensemble de l'Univers dont les 2/3 de la matière nous sont cachés. Des particules inconnues, tels les axions (de la famille des bosons de Goldstone qui ne respectent pas toutes les lois de conservations fondamentales), sont peut-être d'une énergie telle qu'ils résident en-dehors des possibilités actuelles des accélérateurs de particules. Des équipes du LLNL et de MIT tentent toutefois de trouver les traces de leurs interactions lorsqu'ils se transforment en lumière en présence d'un champ magnétique intense.

Collision frontale vue de face et de profil de 2 faisceaux d'or de 30 GeV dans le détecteur STAR du collisionneur à ions lourds du BNL. C'est dans ce type d'expérience que les physiciens des particules élémentaires espèrent découvrir les constituants de l'univers primordial : axions, wimps, neutralinos, etc. Documents CERN.

C'est donc en réalisant des simulations sur ordinateur que les physiciens sont parvenus à reproduire fidèlement la distribution des galaxies que nous observons aujourd'hui. Mais si les théories actuelles ont remplacé les neutrinos par les axions, ces dernières particules - hypothétiques - auraient une masse infime, un million de fois inférieure à celle de l'électron (soit 1 eV). Dans ces conditions, le modèle inflationnaire est inadéquat car les axions n'ont jamais été détectés dans les laboratoires alors qu'ils devraient abonder dans l'Univers.

Mais Schramm et Dearborn s'opposent à cette affirmation. Ils estiment que les axions peuvent apparaître dans l'effet Compton, suite à une collision photon-électron ou lors d'une collision entre particules chargées, y compris les noyaux. Selon Dearborn, ces axions pourraient très bien expliquer le spectre particulier des positrons émis lors des collisions d'ions lourds dans les accélérateurs de particules. Il apparaît en effet une raie à 336 KeV indépendamment de la nature des corps mis en présence. Cette raie inconnue découverte par les physiciens de Darmstadt pourrait être la signature de la désintégration des axions en positrons. Cette raie pourrait également donner aux physiciens une estimation de la limite de la masse cachée de l'univers.

Mais tous les chercheurs ne partagent pas l'avis de nos physiciens en particulier Yin Wong qui considère depuis 1983 que "l'énigme de Darmstadt" - le fait que des projectiles atomiques ne choisissent pas leur noyaux-cibles au hasard (cf. W.Mayer et al.) -  ne fait qu'appliquer la théorie de Dirac. Le problème reste entier[11].  

Si les axions existent, la densité de l'Univers serait alors très faible. On peut retrouver la densité de l'Univers en faisant appel à d'autres particules hypermassives, les superparticules et d'autres entités exotiques. Mais le modèle du Big Bang s'écroulerait dans cette hypothèse. L'estimation du nombre de particules hypermassives à l'époque du découplage de la Grande unification implique que leur masse devrait dépasser la densité de l'énergie. Leur nombre serait tel que la température du corps noir serait tombée à 2.7 K quelque 30000 ans après le Big Bang. Reste à interrompre par un mécanisme quelconque la production des particules hypermassives. Mais cette théorie est posée de manière ad hoc, a posteriori, comme s'il fallait à tout prix défendre la théorie des axions. Même si certaines théories prédisent leur existence, posée en ces termes, elles ont peu de chances d'être supportées par la majorité des physiciens qui demandent un peu plus de rigueur et de cohérence. "Oui aux axions, non aux actions irréfléchies" pourrait-on dire !

Prochain  chapitre

L'énergie sombre