La matiere Noire ou masse manquante : machos, neutrino, Wimps ...

La matière noire
Selon les cosmologistes, étoiles et galaxies visibles ne peuvent représenter que 1% de la masse de l'Univers. Le reste serait constitué d'une matière invisible qui n'est perceptible que par son influence gravitationnelle sur la matière visible.
L'essentielle de cette matière invisible, aussi appelée matière noire, serait d'une nature différentes de celle de la matière ordinaire que nous côtoyons...

Selon les dérnières estimations, l'Univers est cnstitué pour 65% d'energie noire, 30% de matière noire, 4% de nuages d'hydrogène et hélium, 0.5% d'étoiles, 0.3% de neutrinos et seulement 0.03% d'élements lourds.

Pour étudier l'Univers le seul moyen dont disposent les astronomes est le rayonnement électromagnétique ( rayon X, lumière visible, onde radio, infrarouge... ).
Bien que la lumière reçue d'un astre lointain constitue une source inestimable d'informations ( elle nous renseigne sur la distance à cet objet, sa vitesse, sa composition chimique et même la composition chimique des milieu traversés ), elle reste très insuffisante et ne nous permet de dresser un portrait de l'Univers tel qu'il est. Car plus de 80% de la matière présente dans l'Univers n'émet pas de rayonnement à aucune longueur d'onde. On ne peut donc voir cette matière dite matière noire ou matière sombre.
Toutefois, connaître la distribution de la matière noire et en quelle quantité, est d'un immense intérêt pour les astronomes, car le sort de tout l'Univers en est étroitement lié .

La question de la matière noire remonte, en fait, au années trente. A cette époque, Fritz Zwicky, étudiant le mouvement de certaines galaxies de l'amas du Coma, assurait que celles-ci allaient beaucoup trop vite que ce que prévoyaient les lois de la physique. Les lois de Newton, qui orchestre, depuis prés de trois siècles, le ballé des astres de notre Univers, veulent que plus la masse d'un astre est importante , plus le mouvement des objets (masses) qui l'entourent est rapide.
La vitesse excessive des galaxies étudiées par Zwicky ne pouvait donc s'expliquer que par la présence dans cet amas d'une masse 400 fois supérieure à la masse visible de l'amas. Mais à l'époque, personne ne prit ces résultats au sérieux vu l'immense quantité de matière dont ils supposaient l'existence, et aussi à cause de la mauvaise réputation de Zwicky, connu pour ses idées farfelues.
Le problème resurgit quelques années plus tard, quand Vera Rubin a mesuré la vitesse des étoiles situées à des distances différentes par rapport au centre d'une gigantesque galaxie spirale.
Alors que les étoiles tournant autour du centre de la galaxie devaient se comporter exactement comme les planètes autour du soleil, c'est à dire que, plus on s'éloignait du centre de la galaxie, plus la vitesse de rotation des étoiles devait décroître. Or, au contraire, la courbe des vitesses de rotation reste étonnamment constante! Ces excès de vitesses trahissaient la présence d'une importante quantité de matière noire formant un "halo massif" autour de la matière visible de la galaxie.

La présence de matière noire est aussi prédite par la théorie de l'inflation qui conduit à une densité de l'Univers très supérieure à celle qui est observable sous forme d'étoiles.
Aujourd'hui, la grande majorité des astronomes est convaincu de l'existence de la matière noire mais on ignore toujours sa nature!

La nature de la matière noire

l'image ci-dessus montre la naine brune, Gliese 229B, photographiée à droite par l'observatoire de Palomar et à gauche, par le télescope spatial Hubble.
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Entre étoiles et planètes : les naines brunes sont des étoiles ratées qui ne parviennent pas à s'allumer car leur masse est trop faible pour que se déclenche en leur coeur la moindre réaction thérmonucléaire. Elles appartiennent à la famille des MACHOs.

Au début, les astronomes soupçonnaient des objets compacts sombres d'être à l'origine de la masse manquante de notre Univers.
C'est ainsi que, dans les années 1990, deux programmes, EROS ( Expérience de Recherche d'Objets Sombres ) et MACHO ( Massive Compact Halo Objet ), on eut pour objectif de détecter des naines brunes dans les halos galactiques.
Pour cela, les astronomes ont dû surveiller plusieurs millions d'étoiles dans les Nuages de Magellan ( galaxie satellite de la nôtre ), tout en espérant trouver suffisamment de Machos pour expliquer l'énorme masse manquante de notre Univers.
Mais comment peut on détecter des objets qui sont, par nature, invisibles même aux plus grands télescopes du monde?
Grâce à leur effet gravitationnel sur la lumière passant à proximité.
En effet si l'un de ces objets s'interpose entre l'observateur et une source plus lointaine, Les rayons lumineux émis par cette source vont ser courber.
L'effet produit est exactement le même que si on plaçait une lentille en face de cette source; elle déforme son image et la fait apparaître plus brillante.

Selon la relativité générale, si l'énorme masse d'un machos passaient entre nous et un grupe d'étoles, nous verrions ces étoiles s'illuminer progressivement puis revenir à leur brillance habituelle.

Les astronomes furent déçus de constater que ces effets de lentilles gravitationnelles étaient des événements rares, les objets massifs sombres ne peuvent donc pas expliquer à eux seuls l'énorme masse manquante de l'Univers.
Les deux programmes EROS et Macho ont, en effet, révélé que les objets compacts sombres ne représentent pas plus de 15% de la matière noire.

Et si la matière noire était restée sous forme de nuage de gaz d'hydrogène? Cet hypothèse a émergé d'une simple observation : la matière noire semble présente en grande quantité dans les galaxies à forte luminosité. Ce qui nous amène à penser que dans certains cas, la matière sombre se condense pour former des étoiles rendant la galaxie plus lumineuse, tandis qu'elle reste sous forme de gaz d'hydrogène dans les galaxies peu lumineuses.
Mais cette hypothèse n'est valable qu'à l'échelle des galaxies alors que la quantité de matière sombre est encore plus importante aux grandes échelles.

dans l'expérience japonaise Super-Kamiokande, des photodétecteurs, placés dans un réservoir de 50 000 mètres cubes d'eau purifiée, permettent de détecter les rares interactions des neutrino en provenance coeur de la terre ou du soleil.

Selon la théorie du Big Bang, la matière ordinaire, formée de proton et de neutron, ne peut constitué qu'une très petite fraction de la matière sombre. En effet, dire que la masse manquante est essentiellement formée de matière ordinaire implique la production d'énormes quantités de d'hydrogène et d'hélium dans l'Univers primordial. Or les quantités prédites par ce scénario sont très grandes, comparées à celles fixées par les observations. Celles-ci, par ailleurs, concordent parfaitement avec les valeurs proposées par le modèle standard du Big Bang.
L'essentielle de la matière noire est donc d'une nature non baryonique, très différente de la matière ordinaire, qui compose planètes et étoiles.
Dans les années 80 et 90, le neutrino avait suscité un grand espoir. D'abord, parce qu'on était sûr de son existence. Ensuite, parce que l'Univers en est littéralement gorgé. Il suffisait donc qu'il ait une masse même petite pour pouvoir être la matière sombre.
Malheureusement, l'expérience japonaise Super-Kamiokande a révélé, en 1998, que le neutrino ne représente que 20% de la masse manquante.
N'ayant pas tenu ses promesses, le neutrino a vite été abandonné pour d'autres particules plus hypothétiques.
En effet, la supersymétrie, qui permet d'unifier la gravitation avec les autres interactions, prédit l'existence de particules massives t très discrètes appelées WIMPs.
Présents en très grandes quantités dans l'Univers, les WIMPs pourrait résoudre le problème de la masse manquante.
A condition qu'ils existent, car, pour l'instant, les Wimps ne sont pas plus que de purs concepts.

Ce cristal de germanium ultrapur, utilisé dans l'expérience Edelweiss, est refroidi à une température de quelques millikelvins (soit près de -273°C). Il devrait produire un infme réchauffemen lors de sa collision avec un Wimp.

Leur détection mobilise une vingtaine de groupes de recherche de part le monde, dont la collaboration française EDELWEISS.
Pour se débarrasser des rayons cosmiques qui bombardent régulièrement la Terre, l'équipe française s'est réfugiée à 1800 m de profondeur, au laboratoire souterrain de Modane en Haute-Savoie. Elle tente ainsi, depuis 1992, de détecter les collisions de Wimps avec la matière ordinaire. En fait, lorsqu'ils interagissent avec la matière ordinaire, c'est à dire presque jamais, les Wimps se contentent de heurter un atome qui va reculer tout en libérant de l'énergie qui se manifeste par un très faible courant électrique (causé par le déplacement des électrons) et un infime réchauffement (d'un millionième de degré) du détecteur qui est un cristal de germanium refroidi à une température de quelques millikelvin, soit à peu près -273°C.
On espère ainsi, détecter les Wimps à une fréquence d'un Wimp par jour et par kilogramme de détecteur.
Mais les physiciens ont toujours du mal à éliminer les parasites et impuretés radioactives, qui en se désintégrant brouillent le signal que l'on veut récupérer.
Ils placent, toutefois, beaucoup d'espoir dans le nouveau détecteur Edelweiss 2, plus sensible et mieux protégé contre les parasites, qui sera opérationnel cette automne.