L’énigme de la matière noire Alain Bouquet

L’âge d’or de la cosmologie Les données viennent de sources de plus en plus variées XMM Elles sont de plus en plus précises Elles confirment la théorie du big bang Dans les grandes lignes Dans les détails Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Mais la composition est inattendue Matière noire 25% Energie noire 70% Gaz chaud 4% Etoiles & planètes 0.5% Neutrinos 0,5% Lumière 0,05% Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Les échelles dans l’univers © Jacques Colin (OCA) Les échelles dans l’univers Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

La matière noire dans l’univers © Jacques Colin (OCA) Plus l’échelle est grande, plus la matière noire est dominante La masse de matière noire est 50 fois plus importante que celle de toutes les étoiles La matière noire dans l’univers Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

95% d’inconnu, est-ce raisonnable? Oui ! Non ! Rien n’interdit que la matière connue soit minoritaire la Terre n’est pas un lieu privilégié dans l’univers 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 l’énergie noire Toujours via des effets gravitationnels sur la matière visible Comprenons-nous réellement si bien la gravitation ? Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Energie noire et matière noire 70% du bilan énergétique répartie de façon extrêmement uniforme dans l’univers propriétés opposées à celles de la matière ordinaire (répulsion gravitationnelle) ressemble beaucoup à la constante cosmologique d’Einstein 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 Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Zwicky annonce en 1933 que la masse totale de l’amas 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 l’existence de supernovae l’existence d’étoiles à neutrons … Il est donc normal que presque personne ne s’y intéresse pendant près de 50 ans Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Un peu d’histoire Les premières réactions furent mitigées : 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 l’observation d’un 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 s’il y a 10 à 50 fois plus de matière noire que de matière lumineuse La situation se modifie vers 1970 Théorie du big bang acceptée Détecteurs électroniques Satellites d’observation X et radio Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Tournez manège La vitesse de rotation dépend de la masse qui attire, et de la distance de cette masse Distance 150 M km Vitesse 30 km/s Masse = Distance x (Vitesse)2 /G = 1Msol Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Les étoiles d’une galaxie Rotation autour du centre Distance 30 000 a.l. Vitesse 200 km/s Masse = Distance x (Vitesse)2 /G = 100 milliards Msol Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Courbes de rotation Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Un noyau dans un cocon En fait, une galaxie, ce n’est pas cela : C’est cela : Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

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? Machos Axions Mauviettes (wimps) Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Conspiration Disque dominant (étoiles, matière « ordinaire ») Halo dominant (matière « noire ») Identité de nature ? MACHOS ?? Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Les machos Comment détecter un objet qui n’est pas lumineux? Via un effet gravitationnel ! 1986 : Bohdan Paczynski montre que le passage d’un 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 n’est pas un MACHO ! Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Une masse dévie la lumière Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

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 d’étoiles 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 Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Echec ! De nombreux effets d’amplification gravitationnelle observés, mais aucun attribuable à un MACHO Moins de 15% du halo de la Voie lactée est formé de MACHOS La voie est libre pour les MAUVIETTES Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Les mauviettes Revenons donc à la possibilité d’une nouvelle particule Certes mais laquelle ? Les théoriciens ne manquent pas d’imagination Les expérimentateurs non plus d’ailleurs, mais pour le moment sans succès Une sorte de neutrino lourd ferait bien l’affaire : un neutralino Ce serait un WIMP (weakly interacting massive particle) …mais wimp = mauviette Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire 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 s’enterre On blinde le détecteur On le refroidit vers -270°C On élimine les parasites On attend patiemment……… Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Pour le moment, l’attente continue Ceux-ci ont annoncé une détection, mais personne n’y croit car des expériences plus sensibles n’observent rien Zone attendue par les théoriciens © Leszek Roszkowski Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Recherches indirectes Dans bien des modèles, une mauviette et une anti-mauviette, c’est pareil Si le halo est plein de mauviettes, elles doivent donc s’annihiler fréquemment Le résultat de ces annihilations pourrait être une paire de rayons gamma, « facile » à détecter du sol ou de l’espace (Integral, Glast plus tard…) 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) Deux des quatre télescopes à rayons gamma de HESS, en Namibie Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Modifier Newton et sa Dynamique ? Le problème de la matière noire vient du désaccord entre la quantité de matière lumineuse, que l’on « voit », et celle que l’on 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 = ma2/a0 quand a < a0 (et bien entendu F = ma quand a > a0) Cela « marche » admirablement bien Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Modifier Newton (MOND) © Mordehai Milgrom Inconvénients : modèle ad hoc, et qui ne fonctionne pas au-delà des galaxies (controversé) Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Univers parallèles? Une idée souvent avancée Plus difficile à quantifier Encore plus à soumettre à l’expérience ! 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 s’y trouvant Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Méditons sur les mystères de l’univers Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire 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 Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

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 l’amas Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire La dynamique des amas Pendant 50 ans, Zwicky n’est pas pris au sérieux La conclusion majoritaire est alors que, si les galaxies vont aussi vite, les amas sont des rassemblements éphémères Il pourrait d’ailleurs s’agir des « nurseries » de galaxies, imaginées dans la théorie de l’Etat 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 l’intense émission de rayons X par les amas la déviation des rayons lumineux par les amas (arcs et arclets) Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Les amas aux rayons X Amas Abell 2029 en optique : les galaxies DSS Amas Abell 2029 en rayons X : le gaz chaud Chandra Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Bien plus de gaz que d’étoiles Masse 109 1010 1011 1012 1013 1014 Masse totale Centre d’une galaxie Galaxie (visible) Gaz chaud Distance entre deux galaxies Taille d’un amas Etoiles Taille 10 100 1000 1 kpc et bien plus de matière noire que de gaz Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Lentilles gravitationnelles Amas de galaxies Abell 1689 (HST) Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Lentilles gravitationnelles © Jacques Colin (OCA) Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Reconstruction de la lentille © Yannick Mellier (IAP) Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Distorsion gravitationnelle L’espace est plein de galaxies de toutes tailles, formes et orientations ©Yannick Mellier (IAP) La masse d’un amas en avant-plan déforme les images des galaxies d’arrière-plan Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Cisaillement gravitationnel © Stéphane Colombi (IAP) L’analyse statistique de la forme des galaxies permet de reconstituer une carte en 3 dimensions de la matière noire Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Cisaillement gravitationnel L’analyse statistique de la forme et de l’orientation des galaxies permet de reconstituer la carte sous-jacente de la matière noire © Alexangre Refregier (CEA) Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Méditons sur les mystères de l’univers Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Cosmologie Courbure spatiale nulle, matière +énergie noire = 100% Une troisième série d’arguments, cosmologiques cette fois, indique la présence de matière noire Formation des galaxies Comptage des galaxies Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

La relativité générale est un jeu d’enfant Masse et énergie déforment l’espace et le temps Courbure = densité d’énergie Courbure = courbure spatiale + courbure temporelle (expansion) Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Triangle cosmique Energie de la matière (E=mc2) Energie noire ou constante cosmologique Courbure de l’espace Amas et galaxies Courbure nulle Energie noire 70% Matière 30% Supernovae Rayonnement cosmologique Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Fond de rayonnement cosmologique Chaque tache indique une fluctuation de densité de l’ordre de quelques cent-millièmes Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Formation des galaxies et des étoiles Si l’univers est homogène mais pas trop les inhomogénéités vont s’accentuer 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… Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Mais il faut de la matière noire Les inhomogénéités ne dépassent pas 1/100 000 au départ La pression de rayonnement empêche la concentration pendant 400 000 ans Même ensuite, l’expansion de l’univers freine la concentration de la matière et la rend beaucoup plus difficile Il faut donc plus de matière une matière qui ne soit pas associée à la lumière 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 » ! Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Chaud ou froid ? Simulation avec de la matière noire froide Simulation avec de la matière noire chaude Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

Méditons sur les mystères de l’univers La matière noire semble omniprésente à l’échelle des galaxies à l’échelle des amas de galaxies à l’échelle de tout l’univers visible Elle suit la distribution de matière lumineuse mais elle est moins concentrée (parce qu’elle 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 c’est toute l’architecture de la physique qui est alors à revoir ! Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire

L’énigme de la matière noire Merci de votre attention Alain Bouquet CNRS & Paris7 L’énigme de la matière noire