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Lénigme de la matière noire Alain Bouquet. Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire2/48 Lâge dor de la cosmologie Les données viennent.

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1 Lénigme de la matière noire Alain Bouquet

2 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire2/48 Lâge dor de la cosmologie Les données viennent de sources de plus en plus variées Elles sont de plus en plus précisesElles confirment la théorie du big bang –Dans les grandes lignes –Dans les détails XMM

3 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire3/48 Matière noire 25% Mais la composition est inattendue Gaz chaud 4% Etoiles & planètes 0.5% Neutrinos 0,5%Lumière 0,05% Energie noire 70%

4 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire4/48 Les échelles dans lunivers © Jacques Colin (OCA)

5 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire5/48 La matière noire dans lunivers © Jacques Colin (OCA) Plus léchelle est grande, plus la matière noire est dominante La masse de matière noire est 50 fois plus importante que celle de toutes les étoiles

6 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire6/48 95% dinconnu, est-ce raisonnable? Rien ninterdit que la matière connue soit minoritaire –la Terre nest pas un lieu privilégié dans lunivers –ni le Soleil –ni la Voie lactée Les autres prédictions de la théorie du big bang se sont vérifiées Pourquoi pas celle-ci ? Aucune indication directe –ni de la matière noire –ni de lénergie noire Toujours via des effets gravitationnels sur la matière visible Comprenons-nous réellement si bien la gravitation ? Oui ! Non !

7 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire7/48 Energie noire et matière noire Energie noire –70% du bilan énergétique –répartie de façon extrêmement uniforme dans lunivers –propriétés opposées à celles de la matière ordinaire (répulsion gravitationnelle) –ressemble beaucoup à la constante cosmologique dEinstein Matière noire –25% du bilan énergétique –répartie à peu près comme les étoiles, mais en plus diffus –propriétés analogues à la matière ordinaire, quoique elle interagisse moins –longue liste de candidats rejetés –liste encore plus longue de candidats imaginés

8 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire8/48 La matière noire Zwicky annonce en 1933 que la masse totale de lamas de galaxies de Coma est 100 à 500 fois supérieure à la somme des masses des galaxies Zwicky est connu pour –son caractère épouvantable –ses idées farfelues comme lexistence de supernovae lexistence détoiles à neutrons … Il est donc normal que presque personne ne sy intéresse pendant près de 50 ans

9 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire9/48 Un peu dhistoire Les premières réactions furent mitigées : La situation se modifie vers 1970 –Théorie du big bang acceptée –Détecteurs électroniques –Satellites dobservation X et radio Les courbes de rotation de galaxies sont de plus en plus nombreuses, de plus en plus détaillées La dynamique des amas de galaxies se précise, et elle est confirmée par lobservation dun intense rayonnement X, puis par la découverte de distorsions gravitationnelles de la lumière (arcs) La cosmologie du big bang se confirme, le mécanisme de formation des galaxies par instabilité gravitationnelle est mis au point, mais les observations du rayonnement cosmologique ne le permettent que sil y a 10 à 50 fois plus de matière noire que de matière lumineuse

10 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire10/48 Tournez manège La vitesse de rotation dépend de la masse qui attire, et de la distance de cette masse Vitesse 30 km/s Distance 150 M km Masse = Distance x (Vitesse) 2 /G = 1M sol

11 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire11/48 Les étoiles dune galaxie Rotation autour du centre Vitesse 200 km/s Distance a.l. Masse = Distance x (Vitesse) 2 /G = 100 milliards M sol

12 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire12/48 Courbes de rotation

13 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire13/48 Un noyau dans un cocon En fait, une galaxie, ce nest pas cela : Cest cela :

14 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire14/48 Quelle est la nature de la matière noire? De la matière « normale » mais obscure? –poussières? –planètes, astéroïdes? –étoiles noires, brunes, blanches? –trous noirs stellaires? –trous noirs géants? Neutrinos? Un nouveau type de particule élémentaire stable? –très légère et très abondante? –très lourde et très rare? MachosAxions Mauviettes (wimps)

15 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire15/48 Conspiration Identité de nature ? MACHOS ?? Disque dominant (étoiles, matière « ordinaire ») Halo dominant (matière « noire »)

16 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire16/48 Les machos Comment détecter un objet qui nest pas lumineux? Via un effet gravitationnel ! 1986 : Bohdan Paczynski montre que le passage dun MACHO devant une étoile en amplifie passagèrement la luminosité Si le halo est plein de MACHOS, à chaque instant une étoile sur 10 millions est amplifiée de 10% (ce qui est détectable) Bohdan Paczynski nest pas un MACHO !

17 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire17/48 Une masse dévie la lumière

18 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire18/48 Le Grand Nuage de Magellan Galaxie irrégulière satellite de la Voie lactée Il suffit de : prendre une image chaque nuit mesurer la luminosité de chacune des 10 millions détoiles résolues comparer avec la luminosité de la veille, et des jours précédents repérer les variations ne pas confondre avec une étoile intrinsèquement variable Les collaborations MACHO et EROS ont patiemment fait cela de 1992 à 2002

19 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire19/48 Echec ! Moins de 15% du halo de la Voie lactée est formé de MACHOS De nombreux effets damplification gravitationnelle observés, mais aucun attribuable à un MACHO La voie est libre pour les MAUVIETTES

20 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire20/48 Les mauviettes Revenons donc à la possibilité dune nouvelle particule Certes mais laquelle ? Les théoriciens ne manquent pas dimagination Les expérimentateurs non plus dailleurs, mais pour le moment sans succès Une sorte de neutrino lourd ferait bien laffaire : un neutralino Ce serait un WIMP (weakly interacting massive particle) …mais wimp = mauviette

21 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire21/48 Recherches directes Une « mauviette » venue du halo cogne un noyau dans un cristal Le choc est détecté Difficulté: rayons cosmiques et radioactivité font pareil Donc on senterre On blinde le détecteur On le refroidit vers -270°C On élimine les parasites On attend patiemment………

22 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire22/48 Pour le moment, lattente continue © Leszek Roszkowski Ceux-ci ont annoncé une détection, mais personne ny croit car des expériences plus sensibles nobservent rien Zone attendue par les théoriciens

23 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire23/48 Recherches indirectes Dans bien des modèles, une mauviette et une anti-mauviette, cest pareil Si le halo est plein de mauviettes, elles doivent donc sannihiler fréquemment Le résultat de ces annihilations pourrait être une paire de rayons gamma, « facile » à détecter du sol Deux des quatre télescopes à rayons gamma de HESS, en Namibie Ou des neutrinos, plus difficiles à détecter, mais des expériences sont en cours, au fond de la Méditerranée (Antarès) ou dans les glaces du pole Sud (Amanda) ou de lespace (Integral, Glast plus tard…)

24 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire24/48 Modifier Newton et sa Dynamique ? Le problème de la matière noire vient du désaccord entre la quantité de matière lumineuse, que lon « voit », et celle que lon calcule à partir des mouvements de cette dernière en appliquant les lois de Newton Rien ne garantit que celles-ci soient correctes en dehors du domaine où elles sont bien vérifiées, le Système solaire En 1983, Mordehai Milgrom (Institut Weizmann) propose une légère modification de la relation F = m a (entre force et accélération) F = ma 2 /a 0 quand a a 0 ) Cela « marche » admirablement bien

25 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire25/48 Modifier Newton (MOND) © Mordehai Milgrom Inconvénients : modèle ad hoc, et qui ne fonctionne pas au-delà des galaxies (controversé)

26 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire26/48 Univers parallèles? Une idée souvent avancée Plus difficile à quantifier Encore plus à soumettre à lexpérience ! Pour unifier gravitation et interactions électromagnétique et nucléaires, la théorie des cordes exige un espace à plus de trois dimensions Il est possible que la matière et la lumière soient confinées dans trois dimensions (une brane), alors que la gravitation pourrait « sentir » les autres dimensions, et donc la matière sy trouvant

27 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire27/48 Méditons sur les mystères de lunivers

28 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire28/48 Les amas de galaxies Amas de galaxies de Coma ~2000 galaxies formant un essaim tournoyant à 300 km/s dans un rayon de qq M a.l. à 150 M a.l. de nous

29 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire29/48 Un homme très dynamique Zwicky mesure les vitesses de quelques galaxies de Coma Energie cinétique ~ Masse x (Vitesse) 2 Ainsi que leurs distances mutuelles Energie potentielle ~ (Masse) 2 /Distance Equilibre dynamique En. potentielle ~ En. Cinétique Donc Masse ~ Distance x (Vitesse) 2 Il trouve ainsi 100 à 500 fois plus de masse que son estimation de la masse totale des galaxies de lamas

30 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire30/48 La dynamique des amas Pendant 50 ans, Zwicky nest pas pris au sérieux La conclusion majoritaire est alors que, si les galaxies vont aussi vite, les amas sont des rassemblements éphémères Il pourrait dailleurs sagir des « nurseries » de galaxies, imaginées dans la théorie de lEtat stationnaire, alors rivale de celle du Big bang Et de nouvelles mesures des distances ramènent le désaccord à un facteur 20 à 100 Mais le désaccord persiste ! Dans les années 1980, deux indications indépendantes le confirment lintense émission de rayons X par les amas la déviation des rayons lumineux par les amas (arcs et arclets)

31 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire31/48 Les amas aux rayons X Amas Abell 2029 en optique : les galaxies DSS Amas Abell 2029 en rayons X : le gaz chaud Chandra

32 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire32/48 Bien plus de gaz que détoiles et bien plus de matière noire que de gaz Etoiles Gaz chaud Masse totale Masse Taille kpc Centre dune galaxie Galaxie (visible) Distance entre deux galaxies Taille dun amas

33 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire33/48 Lentilles gravitationnelles Amas de galaxies Abell 1689 (HST)

34 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire34/48 Lentilles gravitationnelles © Jacques Colin (OCA)

35 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire35/48 Reconstruction de la lentille © Yannick Mellier (IAP)

36 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire36/48 Distorsion gravitationnelle Lespace est plein de galaxies de toutes tailles, formes et orientations La masse dun amas en avant-plan déforme les images des galaxies darrière-plan ©Yannick Mellier (IAP)

37 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire37/48 Cisaillement gravitationnel © Stéphane Colombi (IAP) Lanalyse statistique de la forme des galaxies permet de reconstituer une carte en 3 dimensions de la matière noire

38 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire38/48 Cisaillement gravitationnel Lanalyse statistique de la forme et de lorientation des galaxies permet de reconstituer la carte sous-jacente de la matière noire © Alexangre Refregier (CEA)

39 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire39/48 Méditons sur les mystères de lunivers

40 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire40/48 Cosmologie Une troisième série darguments, cosmologiques cette fois, indique la présence de matière noire Courbure spatiale nulle, matière +énergie noire = 100% Formation des galaxies Comptage des galaxies

41 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire41/48 Masse et énergie déforment lespace et le temps Courbure = densité dénergie Courbure = courbure spatiale + courbure temporelle (expansion) La relativité générale est un jeu denfant

42 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire42/48 Triangle cosmique Rayonnement cosmologique Supernovae Amas et galaxies Energie de la matière (E=mc 2 ) Energie noire ou constante cosmologique Courbure de lespace Courbure nulle Energie noire 70% Matière 30%

43 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire43/48 Fond de rayonnement cosmologique Chaque tache indique une fluctuation de densité de lordre de quelques cent-millièmes

44 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire44/48 Formation des galaxies et des étoiles Si lunivers est homogène mais pas trop –les inhomogénéités vont saccentuer et la matière se concentrer de plus en plus –les étoiles et les galaxies peuvent ainsi apparaître peu à peu –puis se forment les planètes, la vie…

45 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire45/48 Mais il faut de la matière noire Les inhomogénéités ne dépassent pas 1/ au départ La pression de rayonnement empêche la concentration pendant ans Même ensuite, lexpansion de lunivers freine la concentration de la matière et la rend beaucoup plus difficile Il faut donc 1)plus de matière 2)une matière qui ne soit pas associée à la lumière 3)une matière formée de particules assez lourdes pour ne pas aller trop loin et effacer les structures sitôt amorcées Autrement dit de la matière noire « froide » comme nos « mauviettes » !

46 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire46/48 Chaud ou froid ? Simulation avec de la matière noire froide Simulation avec de la matière noire chaude

47 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire47/48 Méditons sur les mystères de lunivers La matière noire semble omniprésente à léchelle des galaxies à léchelle des amas de galaxies à léchelle de tout lunivers visible Elle suit la distribution de matière lumineuse mais elle est moins concentrée (parce quelle interagit moins?) Elle na pas été détectée autrement que par ses effets gravitationnels sur la matière lumineuse Peut-être doit-on réexaminer la loi de la gravitation ? Mais cest toute larchitecture de la physique qui est alors à revoir !

48 Alain Bouquet CNRS & Paris7 Lénigme de la matière noire48/48 Merci de votre attention


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