La matière noire

13/07/2015
Publication REE REE 2015-3
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La matière noire

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REE N°3/2015 19 La matière noire L'ARTICLE INVITÉ Unlike normal matter, dark matter does not interact with the electromagnetic force. This means it does not absorb, reflect or emit light, making it extremely hard to detect. Researchers have been able to infer the existence of dark matter only from the gravitational effect it seems to have on visible matter. Dark matter seems to outweigh visible matter roughly five to one, making up 26.8 % of the universe. The matter we know and that makes up all stars and galaxies only accounts for 4.9 % of the content of the universe. Galaxies in our universe are rotating with such speed that the gravity generated by their observable matter could not possibly hold them together. Scientists think something we have yet to detect directly is giving these galaxies extra mass, generating the extra gravity they need to stay intact. This strange and unknown matter was called "dark matter" since it is not visible. However, at this point, there are still a few dark matter possibilities that are viable. The most common view is that dark matter is not baryonic at all, but that it is made up of other, more exotic particles like WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles). ABSTRACT ANDRÉ DESCHAMPS Ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris Introduction E n astrophysique, les termes de matière noire ou de matière sombre désignent une forme de matière aujourd’hui indétectable directe- ment mais dont l’existence a été formellement démontrée et qui permet de rendre compte d’effets obser- vés qui seraient inexplicables en son absence. L’existence dans l’Univers d’une matière cachée constitue évidemment l’une des découvertes les plus fascinantes de ces dernières décennies, d’autant plus que l’on sait aujourd’hui que cette matière noire est dans l’univers observable cinq fois plus abondante que la matière ordinaire, ou matière baryonique, qui nous est familière. Le cas est d’autant plus étrange que, si l’on sait aujourd’hui que cette matière noire existe, on ne sait pas de quoi elle est faite. Différentes hypothèses ont été émises sur la nature de cette matière noire mais sa composition fait toujours l’objet de spéculations contradictoires. Comme la matière baryo- nique, la matière noire est soumise aux lois de la gravitation universelle et c’est d’ailleurs aujourd’hui la seule façon de la détecter. Pourrait-elle dès lors être constituée de gigan- tesques nuages de gaz interstellaires, d’accumulations de naines blanches, de naines brunes ou de trous noirs ? Aucune des hypothèses allant dans cette direction n’est aujourd’hui en cohérence avec les ordres de grandeur qui gouvernent notre Univers. L’existence de la matière noire est l’une des trois découvertes fondamentales qui sont venues compléter le modèle standard au cours des dernières décennies : -23 sec) qui a suivi le Big Bang et au cours de laquelle l’Univers a connu une phase d’expansion très violente lui permettant de gros- sir d’un facteur énorme ; - core moins de choses que sur la matière noire. L’énergie noire est souvent confondue avec la matière noire. Elle en est pourtant fondamentalement différente : la matière noire exerce une attraction répondant aux lois de la gravitation universelle ; elle ne remplit l’univers que partiel- lement. L’énergie noire est au contraire une forme d’énergie, supposée remplir uniformément tout l’Univers, dotée d’une pression négative qui la fait se comporter comme une force gravitationnelle répulsive. L’existence de l’énergie noire est la seule explication trouvée à ce jour pour justifier le phéno- l’Univers. Les observations du télescope européen Planck, com- - galé jusqu’à présent et permis de mieux comprendre les étapes de la formation de notre Univers et de préciser le rôle joué par chacun des ingrédients constitutifs. Grâce à Planck et à l’observation du rayonnement fossile on sait à présent que la matière noire présente une abondance envi- ron cinq fois plus importante que la matière baryonique et le « rapport » entre énergie noire et matière noire évolue au cours des époques. Cette évolution conditionne ce que l’Uni- vers pourra lui-même de devenir : expansion à tout jamais 20 REE N°3/2015 L'ARTICLE INVITÉ “Big Rip”) ou au contraire effondrement sur lui-même sous serait le modèle du “Big Crunch”). le destin de l’Univers. Jadis les hommes pensaient que la Terre était au centre de l’Univers. Aujourd’hui, ils réalisent que l’Univers observable, qu’ils ont mis des siècles à tenter de comprendre, ne représente à nouveau qu’une petite fraction d’un espace infiniment plus complexe. La saga de l’Univers Big Bang or not Big Bang : l’inflation cosmique Il est admis aujourd’hui que l’Univers tel que nous le connaissons n’a pas commencé par une gigantesque explo- sion nommée “Big Bang”, mais par une phase d’expansion - gistes. L’Univers n’a pas été dispersé dans un espace préexis- tant un peu comme une bombe à fragmentation, mais c’est son tissu même qui s’est distendu comme une baudruche en entraînant tout son contenu. Durant cette période très -32 environ pour former une « soupe » extrêmement dense et chaude de particules élémentaires qui entraient en collision les unes avec les autres et détruisaient toute forme native de matière sous forme atomique. dense et chaud. On pense que sa masse volumique devait kilogrammes par m3 . Pour- tant, c’est au cours de cette période que sont apparues d’in- qui sont à la base de la diversité de l’Univers. Figure 1 : Part des différents « ingrédients » dans l’inventaire masse/énergie de l’Univers. Le “Before Planck” se réfère aux observations de la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) faites entre 2001 et 2010 – Source : ESA. Figure 2 : Histoire de l’Univers – Source : “History of the Universe crop fr” par National Science Foundation – Wikipédia. REE N°3/2015 21 L'ARTICLE INVITÉ Avant l’inflation ? - tion, ni même proposer de méthode rigoureuse pour répondre à cette question, bien que de nombreuses hypothèses aient été formulées. On suppose qu’à cette période, dénommée - tromagnétisme, interaction faible, interaction forte et gravita- tion) étaient unifiées, c’est-à-dire qu’elles s’appliquaient en même temps. Mais ceci empêche de décrire cette période à l’aide de la relativité générale ou de la physique quantique. L’ère de Planck serait un phénomène très bref situé immédia- tement après l’apparition de l’Univers à partir d’une singula- rité gravitationnelle . Mais la description des phénomènes se heurte ici au « mur de Planck » c’est-à-dire aux limites au-delà desquels les notions usuelles de temps, de distance et d’éner- GeV -35 - se- seconde mais ceci reste spéculatif. Pour franchir le mur de Planck, les physiciens ont développé de multiples théories comme celles des supercordes, des univers multiples ou encore de l’énergie du vide quantique. Après l’inflation Au-delà de l’ère de Planck, nous disposons des équations d’Einstein, c’est-à-dire de la relativité générale qui pose que la géométrie de l’espace-temps ne dépend que de son contenu - sion cosmique se poursuit mais à un rythme qui progressi- vement se ralentit. Pendant cette expansion, encore rapide cependant, l’Univers se refroidit et apparaissent les particules fondamentales que constituent les quarks, les électrons, les neutrinos et leurs antiparticules. Apparaissent bientôt éga- lement les premiers agrégats de particules fondamentales que sont les neutrons et les protons et probablement aussi, si elles existent, les particules massives qui n’interfèrent pas avec les photons et constitueront le moment venu la matière noire. Les particules se détruisent par interaction avec les antiparticules mais comme il y a un peu plus de matière que d’antimatière, la matière finit par l’emporter. Le refroidissement continu finit par ramener, après capturés pas les noyaux pour former des atomes électrique- ment neutres. Comme les photons réagissent faiblement 1 En relativité générale, une singularité gravitationnelle est une région de l’espace-temps au voisinage de laquelle certaines quantités décrivant le champ gravitationnel deviennent infinies quel que soit le système de coor- données retenu. La formation des trous noirs ainsi que le Big Bang seraient des singularités gravitationnelles. avec les atomes, ils peuvent enfin se propager sans être capturés. L’Univers devient transparent et un rayonnement s’échappe qui constitue aujourd’hui le « rayonnement fos- sile » ou « fond diffus cosmologique ». Le rayonnement fossile ou fond diffus cosmologique - mic Microwave Background») a été suspectée dès la fin des Nobel de Physique pour cette découverte faite cependant par hasard. Le grand physicien George Gamow avait bien pré- dit ce rayonnement à l’examen du processus de nucléosyn- thèse des éléments primordiaux. Malheureusement pour lui il ne disposait pas à l’époque de technologie suffisamment évoluée pour l’observer. énergétique mais ce rayonnement a été dilué et refroidi par l’expansion de l’Univers et possède désormais une tempéra- recherches car le rayonnement fossile est l’image fidèle de ce qu’était l’Univers lorsque les photons ont pu s’échapper de la soupe initiale. Moins que le rayonnement proprement dit, ce rayonnement théorique du corps noir qui retiennent l’atten- - fus cosmologique. Ces variations spatiales de température sont liées à des variations dans la densité de la distribution - nement provient de tout l’espace car à l’époque originelle, l’Univers était déjà suffisamment étendu pour envelopper complètement ce qui deviendra beaucoup plus tard notre point d’observation à savoir la Terre. C’est ce rayonnement que le satellite Planck a étudié de façon très approfondie et qui, comme, on le verra plus loin, a permis d’enrichir les connaissances sur la matière noire. Mais avant cela, il est bon de revenir sur les méthodes qui ont permis de détecter l’existence de cette matière. La mise en évidence la matière noire Les tout premiers travaux l’astronome suisse Fritz Zwicky en étudiant un groupe de sept galaxies appartenant à un même amas dont il voulait 22 REE N°3/2015 L'ARTICLE INVITÉ déterminer la masse, fut étonné de mesurer une « masse dynamique », déduite des lois de Newton, qui était environ à celle que l’on peut déduire de leur brillance. La commu- nauté mit alors ces résultats sur le compte des incertitudes de mesures et les oublia. par les estimations de Hubble. Mais l’existence de matière intergalactique et la structure supposée instable à l’époque suffirent à expliquer ce résultat. Le sujet porteur en astrono- mie était alors l’expansion de l’univers. La rotation des galaxies mena une étude sur la rotation des galaxies spirales. Il s’agit toujours de comparer la masse lumineuse déduite de l’inten- sité lumineuse des étoiles, à la masse dynamique qui est la vraie masse et qui se déduit des effets gravitationnels des étoiles et, de façon élémentaire, de la loi de Newton. L’ins- trumentation de cette époque, beaucoup plus performante des vitesses et de la lumière, particulièrement en infrarouge. il est possible d’en déduire, par interprétation de l’effet Doppler-Fizeau, la vitesse de rotation des étoiles et de la matière interstellaire en fonction de leur distance au centre : les lois de la gravitation universelle, cette vitesse passe par un ). Les étoiles en périphérie de la galaxie tournent donc moins vite que celles situées plus près du centre. Or, les observa- tions de galaxies spirales montrent que les étoiles situées en périphérie tournent à une vitesse bien supérieure à celle pré- vue par les lois de la gravitation universelle et que leur vitesse reste à peu près constante en fonction de l’éloignement au Les astronomes ont expliqué ce phénomène par la pré- sence autour des galaxies d’un halo de matière suffisamment grand pour englober toutes les étoiles qui la constituent et qui leur interdit d’atteindre le point de décroissance de leur courbe de rotation. Cette matière n’interagirait avec la matière connue que par sa force gravitationnelle. Les particules qui la constituent pourraient donc traverser tous les objets connus : des plus petits atomes jusqu’aux plus massives galaxies. Cette matière inobservable reçut le nom de « matière noire ». La théorie prévoit cependant la possibilité de collisions à très faible probabilité entre matière noire et matière convention- nelle, mais aujourd’hui aucun détecteur n’a réussi à mettre en évidence cette interaction hautement improbable. - mèrent que la courbe de rotation de beaucoup de galaxies était plate. Le même phénomène a été constaté au niveau des galaxies en mouvement au sein d’amas de galaxies. Bien que la démonstration n’en ait pas été formellement appor- tée, il est permis de supposer que l’origine du phénomène est identique, à savoir la présence d’une matière noire occu- pant cette fois l’espace intergalactique. Les effets d’optique gravitationnelle Une deuxième voie de mise en évidence de l’existence de la matière noire réside dans l’interprétation des effets d’optique gravitationnelle. L’optique gravitationnelle est une discipline de l’astrono- sur l’utilisation des effets relativistes prédits par la relativi- té générale. Elle étudie les images ou quasi-images d’une radio ou optique, lorsqu’une grande concentration de masse la source et l’observateur terrestre. La théorie de la relativité générale dit que la présence locale de gravité courbe l’es- - tromagnétiques. On observe alors des mirages gravitation- nels voire des anneaux dits « anneaux d’Einstein ». Lorsque de tels phénomènes sont observés, on est fondé à conclure à la présence d’une masse suffisante de matière pour les expliquer. Le télescope spatial Hubble a permis de révéler d’impressionnants exemples de lentilles gravitationnelles. - çon distincte de la matière ordinaire grâce à l’observation de - lions d’années en dégageant une énergie considérable. Les astronomes ont utilisé l’effet de lentille gravitationnelle afin de déterminer la distribution totale de masse dans la paire d’amas. Ils ont comparé cette distribution avec celle de la matière ordinaire donnée par l’observation directe des Figure 3 : Courbe de rotation prévue par les équations de Newton (A) et courbe observée en fonction de la distance au centre de la galaxie. Source : Wikipédia. REE N°3/2015 23 L'ARTICLE INVITÉ émissions de rayons X en provenance du gaz extrêmement chaud qui constitue la matière ordinaire de ces amas. Or, il ap- paraît que la déviation de la lumière ne peut pas être due à la seule masse de la galaxie, qui est beaucoup trop faible. Il est donc clair qu’une énorme masse invisible est la cause de cette déviation : la matière noire. La température très élevée du gaz est due à la collision au cours de laquelle la matière ordinaire a interagi entre les deux amas et a été ralentie dans son mou- La matière noire quant à elle n’aurait pas interagi, ou très peu, ce qui expliquerait sa position différente dans les amas après la collision. La séparation claire entre la zone de matière noire et des gaz chauds de matière conventionnelle est considérée comme une preuve tangible de l’existence de la matière noire. Figure 4 : L’amas du boulet. Les galaxies (en blanc) ont été repérées en lumière naturelle. Les gaz chauds de nature baryonique également (en rose) ont été cartographiés en rayons X. La matière noire (en bleu) a été positionnée à partir d’interprétations d’effets de lentilles gravitationnelles sur des galaxies situées au-delà de l’amas. L’amas du boulet est situé à 3,4 milliards d’années-lumière. Les amas initiaux sont maintenant distants de 3,4 années-lumière – Source : NASA. Figure 5 : L’amas de galaxies Abell 3827 est situé à 1,4 milliard d’années-lumière de la terre. Au cœur de cet amas, quatre galaxies géantes sont lancées dans un processus de fusion. Leur masse énorme – plusieurs milliers de milliards de masses solaires – courbe l’espace-temps autour d’elles et forme une lentille gravitationnelle. Les étranges structures de couleur bleue qui entourent les galaxies centrales constituent des vues magnifiées, par effet de mirage gravitationnel, d’une galaxie plus lointaine située derrière l’amas. Des observations de la fusion des quatre galaxies centrales ont démontré que la matière noire entourant l’une des galaxies ne suit pas le mouvement de la galaxie elle-même. Ce résultat permet d’envisager la possible existence d’interactions matière noire-matière noire, de nature inconnue – Source : NASA-ESA. 24 REE N°3/2015 L'ARTICLE INVITÉ Cette mesure présente cependant l’inconvénient de com- parer le mouvement d’une masse gazeuse d’une part et matière noire d’autre part. - nale a pu effectuer des mesures sur un amas de galaxies spatial Hubble montre un amas structuré avec une galaxie centrale qui absorbe celles qui s’en approchent. En utili- sant la technique de lentille gravitationnelle, il a été pos- sible d’estimer le décalage entre les étoiles et la matière noire qui les entoure à environ cinq années-lumière. Une cartographie de la zone supposée de matière noire montre une structure filamentaire qui pose de nouveaux défis aux scientifiques. Les apports du satellite Planck (2001-2011) neuf années d’observations a publié une carte relativement précise du fonds diffus cosmologique faisant apparaître des Cette carte a été dressée après élimination des rayonnements « parasites » et notamment celui de la Voie lactée. L’étude de cette cartographie du rayonnement a per- mis de situer avec une grande précision l’âge de l’Univers : - lement permis de progresser dans l’estimation des poids respectifs à donner aux trois ingrédients fondamentaux de l’Univers : matière baryonique, matière noire, énergie noire de puissance du rayonnement fossile tel qu’il a été mesuré L’une des résultats majeurs associés à Planck est d’avoir permis la publication de cartes quasi-complètes de la pola- risation du fonds diffus cosmologique induite par les pous- où l’expérimentation BICEP2 avait cru pouvoir conclure à l’ef- fet d’ondes gravitationnelles primordiales qui auraient généré Figure 6 : Le fond diffus cosmologique tel que vu par Planck – Les zones les plus froides sont en bleu et les zones les plus chaudes en rouge. Source : ESA and the Planck Collaboration (2013). Figure 7 : Spectre de puissance du fond diffus cosmologique mesuré par Planck montrant les fluctuations de température à différentes échelles dans le ciel. Les trois pics principaux correspondent aux contributions de l’énergie noire, de la matière ordinaire et de la matière noire. Source : ESA/Planck collaboration. REE N°3/2015 25 L'ARTICLE INVITÉ générale, une polarisation de mode B du fonds diffus, ce Les mesures extraordinairement précises effectuées par Planck ont permis de conclure que la polarisation de mode B constatée pouvait avoir été induite par les poussières micro- galactiques ainsi que par des effets de lentille gravitationnelle qui modifie le trajet des photons du fond diffus le long de leur parcours à travers l’Univers et transforme une polarisa- tion E en polarisation B2 . L’analyse de la cartographie du fonds diffus a également permis d’écarter deux hypothèses qui étaient jusqu’alors en discussion : 2 Le rayonnement fossile peut présenter deux types de polarisation, le mode E (scalaire) et le mode B (tensoriel), qui se distinguent par la distribution spatiale de la polarisation. Les fluctuations de densité ne produisent que le mode E alors que les ondes gravitationnelles produisent le mode E et le mode B. L’étude de la polarisation du mode B est donc un moyen d’étudier indirectement les ondes gravitationnelles primordiales et, encore plus indi- rectement, l’inflation qui leur aurait donné naissance. noire n’apparaît plus nécessaire pour expliquer la dyna- La cartographie du rayonnement, couplée avec d’autres avec d’autres résultats a permis d’évaluer l’évolution selon les l’Univers et d’avancer une prévision d’évolution possible selon 3 . Enfin le satellite Planck a permis de cartographier la dis- tribution de la matière noire dans les différentes directions du ciel. Pour cela, les très fines distorsions imprimées aux photons primitifs par les lentilles gravitationnelles dues 3 Cet accroissement de la part de l’énergie noire n’est pas bien compris. On imagine qu’elle est liée à l’expansion de l’Univers, l’énergie noire venant occuper les espaces nouveaux conquis par l’Univers. L’énergie noire se- rait alors similaire à ce qu’on appelle « l’énergie quantique du vide ». Elle viendrait, par son effet répulsif, accélérer l’expansion de l’Univers dont les limites seraient à tout jamais repoussées. Figure 8 : Carte de 30 x 30° du signal du CMB polarisé à 353 GHz. Les couleurs tracent l’émission thermique de la poussière, les reliefs dessinent le champ magnétique galactique – Source : ESA/collaboration Planck. 26 REE N°3/2015 L'ARTICLE INVITÉ à l’accumulation de matière noire dans certaines régions, ont été détectées par un traitement analytique complexe du fonds diffus cosmologique et ont permis de bâtir la carte de la régions de faible densité cependant que celles en bleu foncé correspondent à des zones d’accumulation de matière noire. Les zones grises, localisées essentiellement au milieu de la carte, correspondent à des régions où le rayonnement des galaxies et en particulier celui de la Voie lactée est trop intense pour permettre d’exploiter le signal du rayonnement fossile. Les données présentées, dont une proportion notable relève de l’introduction de bruit statistique, sont bien en harmonie avec le modèle brièvement résumé au début de cet article de description de l’évolution de l’Univers dans ses premiers temps. Figure 9 : Evolution de la densité de matière noire au cours des époques – Ce schéma montre que, 400 000 ans après le Big bang, l’univers était largement dominé par la matière noire non baryonique alors que le reste de sa densité était constitué en parts comparables par les photons, les neutrinos et la matière normale. La contribution à la densité du cosmos de l’énergie noire était alors négligeable. Il n’en sera pas de même dans 10 milliards d’années car cette mystérieuse énergie noire devrait alors constituer plus de 93 % du contenu de l’univers. Source : ESA/Collaboration Planck. Figure 10 : Distribution de la matière noire dans l’Univers – Source : ESA and the Planck Collaboration (avril 2013). REE N°3/2015 27 L'ARTICLE INVITÉ De quoi est faite la matière noire ? « Les cosmologistes sont souvent dans l’erreur, jamais dans le doute » disait Lev Landau. Les résultats de Planck sont enthousiasmants : à la fois ils confortent la justesse de vue du modèle standard et met- tent en évidence des écarts qui pourraient mettre sur la piste de nouvelles hypothèses. Il en faut, car la composition de la matière noire reste un mystère. Au début de la formation de l’univers, ni la matière noire, ni l’énergie sombre n’ont pu jouer aucun rôle. Le principal moteur de l’expansion furent les particules relativistes, com- matière ordinaire et matière noire. Comme cette dernière n’interagit pas avec les photons, elle n’aurait pas subi leur - tions auraient ainsi pu attirer, par gravitation, la matière ordi- naire lors du découplage matière-rayonnement de la nucléo- synthèse primordiale, découplage qui a libéré les photons et rendu l’Univers transparent. densité de la matière noire qui seraient à l’origine de la for- mation des galaxies et des amas de galaxies, répartis de façon non uniforme dans l’Univers. Le rayonnement fossile du fond diffus de l’Univers a commencé à se propager au moment où la matière noire commençait à jouer un rôle dans l’ac- croissement des premières structures, alors que la matière ordinaire évoluait entre des configurations denses et diluées à l’intérieur de ces structures. L’observation fine de ces struc- tures permet d’apporter des informations sur la structure de l’Univers avant l’époque observable de la recombinaison. Mais si on peut aujourd’hui expliquer la formation de la matière visible, on ne sait pas expliquer la formation de la matière noire, car on ne connaît pas ses constituants, on ne la connaît que par ses effets gravitationnels. On ne sait d’ailleurs pas au juste comment elle est distri- buée dans l’Univers. Planck en a fourni une carte vue de la Terre, on sait, par l’analyse de leurs vitesses de rotation et des effets de lentille gravitationnelles, que certaines galaxies et amas de galaxie en renferment. Mais quid de l’espace inter- galactique ? La masse cachée serait-elle concentrée le long de filaments comme sur une toile d’araignée, avec aux inter- sections des grands amas ? Que penser-alors des « trous » mis en évidence par Planck dans sa cartographie ? Et pour- quoi, une partie de l’Univers semble-t-elle moins « richement dotée » que la partie opposée ? Quant à la composition, on peut de façon pratiquement certaine affirmer qu’il ne s’agit pas d’antimatière : l’annihila- tion avec la matière produirait des rayons qui ne sont pas observés. La discussion reste ouverte dans deux directions : La tendance est aujourd’hui d’écarter une composition baryonique : en additionnant toutes les variétés d’objets Halo Objects) que nous connaissons : naines brunes, naines blanches… ainsi que les trous noirs de toutes tailles, le compte n’y est pas et le déficit de matière ne peut être expli- qué. La tendance est donc aujourd’hui de retenir plutôt des hypothèses non-baryoniques. Trois formes hypothétiques de matière noire sont par ail- leurs envisagées : La matière froide - sée de particules très lentes. Une telle hypothèse pourrait expliquer un large spectre de structures cosmiques obser- matière noire froide était dominante dans l’Univers, les par- ticules parcourraient une distance plus petite et donc vien- plus petites que dans le cas d’une matière noire chaude. La matière ordinaire se regrouperait alors pour former d’abord regrouperaient en amas, puis en superamas. C’est un scéna- rio du bas vers le haut. Dans ce scénario, les candidats à la matière noire initialement proposés étaient les MACHO et le été imaginés comme des super-partenaires de masse très importante associés aux particules que nous connaissons candidat « naturel » mais les contraintes sur la super-symétrie apportées par le LHC sont à présent nettement en défaveur de cette approche. D’autres théories ont vu le jour, en parti- culier celle des « axions » qui serait au contraire des particules très légères. La matière tiède petites particules animées de grandes vitesses. Mais cette matière ne peut pas former de structure comme des galaxies. Pour cette raison elle est peu étudiée. Par ailleurs, l’existence du neutrino stérile, qui était l’un des candidats possibles pour expliquer cette matière, est aujourd’hui écartée par les résul- tats de Planck. La matière chaude de la lumière). Le neutrino serait un candidat possible. Le problème est que des particules aussi rapides n’auraient pas pu s’agréger pour former des galaxies. Il faudrait donc ad- mettre que les super-amas se seraient formés les premiers avant de se disloquer en structures de taille plus petites. C’est l’approche dite du haut vers le bas. 28 REE N°3/2015 L'ARTICLE INVITÉ La matière chaude et la matière froide peuvent conduire aux mêmes conséquences théoriques et aux mêmes struc- tures cosmiques, aussi bien à grande qu’à petite échelle, cohérentes avec les observations. Ces deux théories ont été défendues par Iakov Zeldovitch, pour la matière noire chaude, et James Peebles pour la matière noire froide. Actuellement, c’est le modèle de matière noire froide qui semble l’emporter mais une combinaison des deux approches reste possible. Conclusions Nous sommes avec la matière noire dans la même si- démontré l’existence d’une nouvelle planète du fait des ano- malies observées sur le mouvement d’Uranus. Mais ce fut l’observatoire de Berlin ! Aurons-nous un Johan Galle de la matière noire ? Il fau- drait pour cela que l’on parvienne à l’observer directement et puisque, par définition elle n’interagit avec les photons, que l’on mette en évidence des formes d’interaction même très faibles entre ses constituants ou avec la matière que nous connaissons. La preuve de l’existence de la matière noire pourrait alors venir d’une observation directe, c’est-à-dire de l’interaction entre des particules de matière noire avec des détecteurs telles particules dans un accélérateur comme le grand anneau Ce type de mise en évidence aurait l’avan- tage de déterminer précisément la masse de telles particules et d’analyser en pro- fondeur la forme de leurs interactions. Des expériences de détection directe comme de résultats probants sur la détection de la matière noire, ce qui n’invalide pas son exis- tence mais démontre simplement la trop faible sensibilité des détecteurs. On sait que dans le modèle standard, les particules sont rangées en deux catégories : Les fermions qui constituent les formes de matière connue et les bosons qui sont res- ponsables de toutes les interactions entre les fermions. Cette théorie a permis de prédire l’existence du boson de Higgs. La technologie a permis la construction d’un accélérateur de particules à hautes énergies : le LHC, qui a permis d’observer l’existence de ce boson. Mais les physi- ciens savaient où ils allaient et la particule recherchée était décrite par le modèle standard. Mais la matière noire ? On connaît son rapport de masse à la matière observable, mais le reste est inconnu pour le moment et bien que supposée - verse la matière aussi discrètement qu’un neutrino de masse quasi nulle. Aujourd’hui le LHC a fourni le maximum d’énergie que lui permet son architecture. Il n’est plus possible de savoir s’il existe des particules qui vont au-delà du modèle standard, existe-t-il des particules qui soient si massives qu’elles ne puissent pas être trouvées par le moyen des accélérateurs que nous possédons ? Les recherches de détection directe de passage d’une particule de matière noire dans un détec- teur terrestre sont pour l’instant vaines. La détection indirecte reste une autre voie : en s’annihilant, ou éventuellement en se désintégrant, les particules de matière noire injecteraient de l’énergie dans le milieu. On pourrait alors détecter des photons de haute énergie, des antiparticules ou un change- ment dans les propriétés statistiques de la carte du rayonne- ment fossile. Pour les chercheurs qui étudient la matière noire, l’aven- ture a commencé il y a une quinzaine d’année et devrait durer encore quelques décennies. Les hy- pothèses ne manquent pas, mais aucune n’a encore été validée par l’observation, ou simplement le résultat d’une expérience. Et il faut compter avec l’énergie noire, encore plus mystérieuse, dont les scien- tifiques continuent à penser que c’est la seule explication à l’accélération de l’expan- sion de l’Univers. La communauté scientifique est en train d’unifier les théories de Newton et d’Einstein, elle est sur le point d’identifier les processus de formation de l’Univers à ses premiers ins- tants. Mais ces avancées fondamentales ne reposent finalement que sur la connaissance André Deschamps est ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris. Il est pré- sident de la commission « Radioas- tronomie » de l’URSI-France. Il a travaillé sur des grandes missions scientifiques spatiales (ROSETTA, Herschel, etc.) pour lesquelles il a reçu un award de la NASA et un autre de l’ESA. Il a été représentant de la radioastronomie française auprès de l’ANFR (Agence natio- nale des fréquences) et de l’ITU (International Telecommunication Union, Genève).