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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 cartographier la distribution 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 NASA/ESA/STScI et IPAC/A.Tyson.

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 pu 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. L'angle de déviation β=4GM/rc2. Adapté d'une illustration de 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.

Variation du paramètre d'impact dans l'amas Abell 1689. Document A.Tyson.

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 ". Nous pouvons en conclure que si Ω = 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.

Ci-dessus une simulation de l'effet d'une lentille gravitationnelle sur l'image de galaxies lointaines bleues. A gauche sans distorsion, au centre avec une vitesse de dispersion de 1200 km/s, à droite de 1800 km/s. Ci-dessous le phénomène inverse : la résolution d'un phénomène de lentille massive en ses trois composantes. Documents A.Tyson.

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 uns issus de l'astrophysique classique, les autres des théories de supersymétrie :

- 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 Ω ≤ 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 évènements 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 évènements de microlensing restent suspects et seraient provoqués par des objets de 0.5 M.

Une règle est déjà acquise. Le manque évident d'évènements 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.

Détecteur de WIMP cryogénique fabriqué par le Fermilab pour l'expérience CDMS.

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 ΛCDM, ils n'existent actuellement qu'au niveau conceptuel, sur le tableau noir et les écrans d'ordinateurs des théoriciens.

Ceci dit, on estime que ces particules massives et peu interactives émises par le halo de matière sombre de la Voie Lactée nous bombardent à raison de 10 millions de particules par mètre carré chaque seconde ! Leur densité évaluée à partir de la vitesse de rotation de la Voie Lactée représente le tiers de la masse d'un proton par centimètre cube.

Du fait qu'il s'agit encore de concepts purement spéculatifs, 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 de l'univers 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, face au succès théorique des théories de supersymétrie, de nombreux projets de détection directe ou indirecte des WIMPs ont vu le jour. Parmi ceux-ci citons les expériences de détection des neutrinos du LLNL en 1994 et du CERN en 2012, le détecteur de WIMP (neutralino) cryogénique fabriqué par le Fermilab en 2005 (expérience CDMS) et l'expérience sur les monopôles conduite en 2015 par près de 2900 scientifiques de l'équipe ATLAS du CERN.

En théorie, on pourrait également les détecter dans les installations du CERN lors de leur annihilation sous forme de rayons gamma. Encore faut-il les différencier des rayons gamma émis par le coeur de la Galaxie et les sources discrètes extragalactiques.

A ce jour, aucune expérience n'a détecté ces particules hypothétiques. En revanche, elles ont permis de fixer des limites inférieures d'énergie ou d'observer d'autres phénomènes. La recherche continue comme l'explique cet article de Richard Taillet du LAPTH/CNRS.

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 connus pour interagir très faiblement avec la matière.

En 2015, la mission Planck a permis de confirmer qu'il n'existe que 3 saveurs pour une masse globale inférieure à 0.23 eV soit plus de 130 fois inférieure aux premières estimations (30 eV-80 MeV)[10], ce qui représente une masse 2.2 millions de fois inférieure à celle de l'électron. C'est franchement léger !

Mais s'ils existent réellement, les 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 masse élevée n'a pas encore été confirmée par l'observation. 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 ces neutrinos paraissent trop légers pour être les candidats que nous recherchons, a priori leur grand nombre pourrait plaider en leur faveur.

La supersymétrie : SUSY

Faisons une hypothèse : imaginons qu'à l’origine l’Univers était régit par les lois d’une “Théorie Totalement Unifiée” (TUT) ou Théorie de Tout (TOE). Lorsque l’expansion refroidit l’Univers sous la température de Planck (1032K), une cascade de brisures de symétries spontanées se sont produites. A gauche du schéma, les particules conventionnelles (R=+1) et les théories qui les décrivent, GUT, le modèle de Weinberg-Salam SU(2)xU(1), la CDQ et l’EDQ. Toutes auraient leur contrepartie à droite (R=-1), dans laquelle le monde se réfléchit dans un “supermiroir” mais dont les "superparticules" sont trop massives pour se former dans la génération actuelle des accélérateurs. La matière sombre appartiendrait en théorie au monde ordinaire de gauche. Illustration de l'auteur adaptée de Science.

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 et notamment Michael Turner a calculé que les neutrinos ne contribuent pas plus que les étoiles à la densité critique, soit à peine 0.5 %. On peut donc pratiquement exclure les neutrinos de la liste des candidats représentant la matière sombre.

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 et à des particules appelées inflatons pour briser la symétrie originelle et former les grandes 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 remplit 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 substance est de nature inconnue. Des particules exotiques 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 CERN, 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. Mais ici également, aucune expérience ne les a mis en évidence.

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.

Si on remplace 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 tous les cas, ils ne sont pas en adéquation avec le modèle inflationnaire 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 GUT implique que leur masse devrait dépasser la densité d'énergie. Leur nombre serait tel que la température de 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

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[8] A.Tyson, Astronomical Journal, 96, 1988, p1.

[9] A.Tyson, Physics Today, June 1992, p28.

[10] J.Simpson, Physical Review, D, 23, 1981, p649.

[11] D.Schramm et al., Physics Letters, B, 66, 1977, p202 - D.Dearborn et al., Physical Review Letters, 56, 1986, p26 - J.Maddox, Nature, 320, 1986, p209 - Y.Wong, Physical Review Letters, 56, 1986, p1047.


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