Un ciel bien noir ! - 23/10/2006

1 - Quand Zwicky "en rajoute".

Une des découvertes les plus importantes de l'astrophysique contemporaine, par ses conséquences fondamentales sur la cosmologie et la physique des particules, fut la mise en évidence qu'un type de matière, autre que la « matière ordinaire » que nous connaissons, existerait et jouerait un rôle essentiel dans le Cosmos. Il s'agit de la « matière noire». Elle est ainsi baptisée car elle n'émet aucun rayonnement électromagnétique et n'est détectable que par ses effets gravitationnels.

L'idée de matière noire (on parlait alors de masse manquante ou de masse cachée) fit irruption avec les travaux de l'astronome suisse Zwicky dans les années 1930. Ce dernier, étudiant la dynamique des galaxies sises au sein de l'amas de galaxies Coma situé dans la constellation de la Chevelure de Bérénice, voulut comprendre pourquoi les vitesses des galaxies de cet amas avaient des valeurs très élevées (on reviendra plus loin sur cette question).

En fait, cette question de la matière noire comme constituant de l'Univers a pris une ampleur considérable au cours des dernières décennies. On peut maintenant évoquer trois grandes questions de l'astrophysique, non encore résolues de manière satisfaisante, pour lesquelles l'existence de cette matière noire serait une réponse cohérente commune.

La première question concerne les galaxies spirales et leur rotation, la seconde, les vitesses des galaxies et la présence d'arcs gravitationnels dans les amas de galaxies. Enfin, la troisième renvoie au fabuleux destin des galaxies, leur origine et leur évolution.

Légende : Le centre de l'amas de galaxies Coma se situe dans la constellation de la Chevelure de Bérénice » à une distance de 100 Mpc (© Image CFHT). C'est en déterminant la masse de cet amas avec les mesures des vitesses de quelques galaxies que Zwicky prit conscience du problème de la « masse manquante ».

2 - Des galaxies qui spiralent

Examinons d'abord le cas des galaxies spirales dont nous allons utiliser une propriété importante: le fait qu'elles soient animées d'un mouvement de rotation sur elles-mêmes. Cette propriété est connue par l'intermédiaire d'un effet physique rencontré couramment dans la vie ordinaire : l'effet Doppler (voir Encadré).

Légende : Deux galaxies spirales observées dans le domaine visible. L'une de face, l'autre par la tranche. On observe un bulbe central avec une forte densité d'étoiles entouré d'un disque mince formé de bras spiraux (© Images CFHT).

Un observateur immobile au bord d'une voie TGV constate que le son produit par un train qui le croise change de tonalité quand il se rapproche puis s'éloigne de lui. Le son, d'abord aigu jusqu'à ce que le TGV passe devant l'observateur, devient ensuite plus grave dès que le train s'éloigne. En termes physiques, l'effet Doppler est une modification de la fréquence (ou de manière équivalente de la longueur d'onde) de l'onde (sonore ou autre) émise par un objet en mouvement (comme le TGV). La propriété importante de l'effet Doppler est que la variation de fréquence (ou de longueur d'onde) conduit à la mesure directe de la vitesse de l'objet par rapport à l'observateur. Si les galaxies n'émettent pas d'onde sonore, elles émettent un rayonnement lumineux qui n'est rien d'autre qu'une onde (électromagnétique) donc également sujette à l'effet Doppler! C'est grâce à cet effet, qu'en observant la lumière émise par les galaxies on détecte et mesure leur vitesse de rotation sur elles-mêmes (voir Figure).

Légende : Quand la galaxie spirale tourne sur elle-même, le rayonnement envoyé par la partie se dirigeant vers l'observateur qui se trouve en bas de la figure est décalé vers le bleu. Ce rayonnement est décalé vers le rouge pour la partie s'en éloignant.

Une galaxie spirale semble, en première approximation, être similaire à un système solaire, les étoiles du disque tournant autour du bulbe central de la spirale comme les planètes tournent autour du Soleil (voir Figure).

Légende : Les planètes tournent autour du Soleil qui représente l'essentiel de la masse du système solaire.

Kepler

Si cette analogie est valable, alors suivant l'astronome J. Kepler se fondant lui-même sur la loi de la gravitation établie par Newton,

Newton

on devrait s'attendre à une décroissance de la vitesse au fur et à mesure que la distance au centre augmente (2) comme on l'observe dans le système solaire pour les vitesses des planètes .

Légende : La vitesse des différentes planètes du système solaire en fonction de leur distance au Soleil. Cette vitesse décroît avec la distance, c'est la « décroissance képlérienne ».

Or, ce que l'on observe dans la réalité, c'est une courbe plate (voir Figure).

Légende : Les points (avec les barres d'erreur des mesures) représentent la vitesse mesurée en fonction de la distance au centre de la galaxie et donnent la courbe de rotation observée. La courbe en pointillés est la courbe de rotation prédite par la contribution en masse des étoiles de la galaxie. La courbe en tiretés donne la contribution d'un halo sphérique de matière noire. La courbe continue tient compte de l'ensemble des contributions et est en bon accord avec les observations.

Cette contradiction reste une des énigmes les plus irritantes de l'astrophysique moderne. Parmi les explications les plus plausibles (par exemple que les lois de la gravitation puissent être modifiées à ces échelles (3) ), l'hypothèse retenue suppose que la partie visible des galaxies n'est qu'une infime partie immergée dans un grand halo de matière noire, matière noire dont l'origine et la nature sont encore en partie incomprises et sur laquelle nous reviendrons.

Légende : L'étude de la rotation des galaxies spirales montre que la partie visible de ces objets n'est que la pointe de « l' iceberg » que serait le halo de matière noire

Ce résultat est déjà en soi "révolutionnaire", mais ce qui l'est peut-être encore plus est que la masse de ce halo noir serait environ 5 à 10 fois celle de la partie visible des icebergs que sont alors les galaxies (Figure).

3 - Des amas qui font leurs effets

Une alternative possible à l'hypothèse de matière noire serait de supposer qu'en fait la dynamique des galaxies spirales est mal comprise et donc leur courbe de rotation mal interprétée. Mais la solution du problème ne semble pas se trouver dans cette direction.

Comme on l'a mentionné plus haut, dès 1930 l'astronome Zwicky n'arrivait pas à rendre compte des vitesses mesurées dans l'amas de galaxies Coma. Ces vitesses sont la conséquence du champ de gravitation interne à l'amas, champ global créé par les masses des centaines de galaxies qui s'y trouvent.

Ces vitesses sont donc le reflet de la masse totale du système et cette masse est à priori égale à la somme des masses de toutes les galaxies individuelles, auxquelles il faut ajouter la masse du gaz chaud intra-amas dont Zwisky n'avait pas connaissance. On peut estimer les masses des galaxies elles-mêmes comme la masse de toutes leurs étoiles (masse que l'on peut, en première approximation, prendre égale à celle d'une étoile typique comme le Soleil).

Mais le compte n'y est pas ! La comparaison des calculs aux mesures révèle de la masse manquante. La masse totale calculée comme étant celle des étoiles, des galaxies, et du gaz est insuffisante pour rendre compte des vitesses observées. Là encore, pour compenser le déficit de masse, il faut invoquer une quantité importante de masse cachée ou de matière noire.

Une confirmation éclatante de ce déficit de masse est apparue au cours des années 1980 avec la découverte de gigantesques arcs observés au coeur des amas de galaxies Quelle est l'origine de ces arcs ? Comme on le verra un peu plus loin, la relativité substitue à la force de gravitation générée par une masse une perturbation locale de l'espace. Les trajectoires des particules passant au voisinage de la masse en question sont déviées. En relativité générale, cet effet s'applique à toutes les particules y compris les photons qui sont les particules associées au rayonnement électromagnétique.

Légende : Les rayons lumineux émis par une source lointaine sont déviés par la présence de la masse du déflecteur (ou lentille). La figure représente deux de ces rayons qui, au lieu d'aller en ligne droite, sont courbés. Ils peuvent ainsi atteindre un observateur, lui donnant l'impression que ces rayons sont émis de deux sources différentes. Si la source et la lentille sont parfaitement alignées, l'ensemble des rayons déviés forme alors, par raison de symétrie, un anneau dit « anneau d'Einstein ».

En conséquence, les rayons lumineux envoyés par un astre éloigné (étoile, galaxie...) vers un observateur seront déviés par la matière située sur le trajet de ces rayons lumineux. Ces galaxies ou étoiles perturbatrices jouent dans ce cas le rôle de déflecteur ou de lentille (Figure). Il arrivera que des rayons lumineux qui n'auraient pas dû atteindre l'oeil de l'observateur soient "courbés" de telle sorte qu'ils y parviendront quand même, créant un effet de mirage. Par "raison de symétrie" on prédit, en cas d'alignement parfait source-lentille-observateur, la formation d'images circulaires par ces "lentilles gravitationnelles" (4).

Cet effet de mirage n'est pas seulement une conjecture purement théorique et l'image de l'amas de galaxies A2218 est certainement l'une des plus belles images obtenues par le HST (5) . Dans cette photographie, chaque petite structure linéaire ou circulaire est "l'image" (6) de galaxies très éloignées de l'amas, déformées et amplifiées par la masse de la matière que contient cet amas.

Légende : Image HST de l'amas de galaxies A2218. Chaque petite structure linéaire ou circulaire est "l'image" de galaxies très éloignées de l'amas, déformées et amplifiées par la masse de la matière que contient cet amas. (© Space Telescope).

Mais le fait stupéfiant, en plus de leur beauté, est que pour expliquer et rendre compte de ces "effets de mirage cosmiques" il faut invoquer dans l'amas, comme pour rendre compte des vitesses des galaxies, la présence d'une quantité dominante de matière noire!

4 - La fabuleuse origine des galaxies

Ainsi, deux des raisons pour lesquelles la notion de matière noire apparaît nécessaire sont celles d'un déficit dans le calcul de la masse obtenue à partir du contenu visible des galaxies ou des amas, par rapport à la masse totale de ces mêmes galaxies ou amas, masse déduite de leur dynamique ou des effets de « mirage ».

La troisième raison concerne le "fabuleux destin des galaxies" et en particulier leur origine. D'où proviennent les galaxies et les amas qui peuplent le Cosmos ? Où et quand prennent-ils naissance ? Quels ont été les processus à l'œuvre dans leur édification? Ces questions sont encore des questions ouvertes sur lesquelles travaillent les astrophysiciens. On dispose cependant de « scénarios » qui dans leurs grandes lignes rendent comptent de l'origine des galaxies et de leur évolution ultérieure.

Même si le schéma détaillé n'est pas encore complet, un résultat semble désormais inéluctable. Il semble en effet impossible, dans l'état actuel de nos connaissances, de comprendre comment les galaxies, les étoiles, puis les planètes et la vie (la matière que l'on voit) sont apparues sans supposer l'existence de matière noire dont l'origine remonterait à l'Univers primordial !

Une étude approfondie montre que la matière noire, en proportion beaucoup plus élevée que la matière ordinaire (dite aussi baryonique) est capable sous l'effet de sa propre gravitation de créer des agrégats de matière assez massifs (contrairement à la matière ordinaire en quantité insuffisante) pour contrecarrer efficacement, à un moment donné, l'expansion de l'Univers, expansion qui tend à diluer la matière de manière inexorable.

Ces premiers agrégats (ou halos noirs) auraient le temps de voir leur masse augmenter suffisamment par coalescence avec leurs voisins, avant que l'expansion ne les éloigne inéluctablement les uns des autres.

Ainsi se formeraient les premiers astres qui deviendront lumineux une fois que la matière ordinaire s'y sera condensée.

(2) C'est la loi dite de décroissance képlérienne.
(3) La gravitation fait l'objet de vérifications expérimentales permanentes. La loi de Newton est actuellement bien vérifiée sur des échelles allant de 0.1 mm à 10^16 m.
(4) En plus de la déformation des images, l'effet de lentille gravitationnelle produit une amplification de l'éclat de l'astre lointain. Les amas de galaxies peuvent ainsi être utilisés comme des télescopes gravitationnels permettant d'observer des galaxies très lointaines, difficilement détectables autrement.
(5) hubblesite.org
(6) Au sens de l'optique ordinaire.