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Les secrets de la matière noire

Ce dossier présente les différents indices qui mènent à l'hypothèse de la matière noire, ainsi que plusieurs propositions qui ont été faites pour tenter d'élucider sa nature.

Page 2 / 10 - Une petite histoire : Uranus et Neptune, Mercure et Vulcain Sommaire
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Richard Taillet Enseignant Chercheur Physique

- A : Une petite histoire de planètes

Nous allons commencer par une petite histoire, ou plutôt un épisode de l'Histoire des sciences, qui semble n'avoir pas grand-rapport avec les problèmes modernes de matière noire, puisque nous allons parler de planètes. Cependant, la petite moralité de cette histoire pourra servir de guide dans les pages qui suivent. Le lecteur impatient peut passer directement à la page suivante !

- B : Les orbites des planètes

Très tôt dans l'histoire de l'astronomie, il a été observé que certains astres occupaient dans le ciel des positions qui varient dans le temps. Certains de ces objets célestes ont été identifiés comme des planètes (la racine grecque du mot "planète" signifie "vagabond"). Leur mouvement dans le ciel peut être très complexe et des systèmes sophistiqués ont été imaginés pour rendre compte de cette complexité. En fait, malgré les apparences, les planètes décrivent dans l'espace des trajectoires simples : ce sont des ellipses (première loi de Kepler). La complexité du mouvement dans le ciel est principalement due au fait que nous observons ce mouvement de la Terre qui elle-même est en mouvement. La forme elliptique des trajectoires est bien expliquée par l'hypothèse que les planètes sont liées au Soleil par une force attractive, selon la loi de la gravitation universelle formulée par Newton. En fait, la loi de Kepler est exacte pour une planète unique orbitant autour d'une étoile, mais elle ne l'est plus tout à fait quand plusieurs planètes sont présentes, chacune perturbant légèrement le mouvement des autres et les orbites résultantes ayant des formes un peu plus complexes. Si on connait la position de toutes les planètes à un instant donné, on peut calculer ces perturbations avec la loi de Newton, et comparer la trajectoire calculée au mouvement observé. Dans la limite des erreurs expérimentales, l'accord est très bon pour la plupart des planètes. Ceci indique qu'effectivement, la loi d'attraction formulée par Newton rend bien compte de la force qui lie les planètes au Soleil.

- C : Les errances d'Uranus et la découverte de Neptune

Quand on a cherché à faire cette comparaison de plus en plus précisément, plusieurs problèmes sont apparus. Tout d'abord, on s'est aperçu au début du 19ème siècle que le mouvement calculé pour Uranus (alors la dernière planète connue du système solaire) ne correspondait pas à celui qui était observé. En 1845, les deux astronomes Adams et Le Verrier ont, indépendamment, la même idée pour résoudre ce problème. Ils font l'hypothèse que la perturbation est due à une nouvelle planète située au-delà d'Uranus. Ils vont même plus loin et calculent la position que devrait occuper cette planète pour rendre de compte des anomalies de la trajectoire d'Uranus. Un télescope est alors pointé vers la position prédite et en 1846, la nouvelle planète est observée : c'est Neptune !

Uranus à gauche, et son élément perturbateur, Neptune, à droite.

- D : Les errances de Mercure et la Relativité Générale

L'histoire se répète dix ans plus tard. En 1855, Le Verrier observe une autre anomalie dans le mouvement de Mercure : son périhélie (le point de son orbite auquel la planète est le plus proche du Soleil) tourne autour du Soleil un peu trop vite par rapport aux calculs. On parle d'avance du périhélie de Mercure. Fort de la réussite précédente, il suppose que cette anomalie est elle aussi due à une nouvelle planète. Il calcule de nouveau la position qu'elle devrait avoir pour rendre compte de l'anomalie de mercure, et trouve que son orbite devrait se trouver à l'intérieur de celle de mercure, très près du Soleil. Cette planète hypothétique a déjà un nom : Vulcain. Cette fois cependant, malgré tous les efforts astronomiques pour l'observer à la position prédite, personne n'arrive à la voir. Il faut dire que c'est une situation expérimentale difficile : il s'agit d'observer une planète située très près du Soleil. Plusieurs explications ont été proposées, la présence de gaz, d'astéroïdes, mais il faudra attendre 1915 pour que la solution, radicale, soit trouvée : Il n'y a pas de nouvelle planète, et comme le montre Einstein cette année-là, l'anomalie vient du fait qu'on a utilisé la mécanique newtonnienne pour calculer le mouvement de Mercure, alors que la gravitation doit faire appel à une autre théorie, la relativité générale. La différence est très faible pour les planètes plus éloignées du Soleil que Mercure, car le champ gravitationnel y est moins fort, mais il est suffisant dans le cas de mercure pour conduire à l'anomalie observée. Les calculs de relativité générale conduisent naturellement à la bonne valeur pour l'avance du périhélie de Mercure. Notons que ce phénomène d'avance du périhélie a depuis été mis en évidence pour d'autres planètes, Mars, la Terre, et Vénus (voir le dossier sur la relativité générale).

A gauche, transit de Mercure devant le Soleil. A droite, Mercure

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