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La matière noire : ni des trous noirs, ni des naines brunes ?

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La nature exacte de la matière noire de l'Univers est toujours inconnue. Toutefois, son existence est maintenant assez fermement établie et les astrophysiciens et les cosmologues disposent d'un large éventail de candidats possibles, ce qui pose un problème. Celui-ci est trop grand, il faut trouver un moyen de réduire les possibilités. D'après Joseph Silk, l'analyse, que lui et son collègue ont faite à partir d'observations de supernovae SN Ia, implique que la matière noire ne peut très probablement pas être constituée majoritairement de trous noirs ou de naines brunes.

La matière noire, wimps ou machos ? (Crédit : David Bennett)

Le problème de la matière noire hante l'esprit des astrophysiciens depuis longtemps. Sans elle, la naissance des galaxies, la stabilité des amas galactiques et d'autres observations astrophysiques et cosmologiques sont difficiles, voire impossible à comprendre. Récemment, les preuves de son existence se sont accumulées, mais sa nature reste encore incertaine. Faut-il faire intervenir de la physique exotique, et non encore établie en laboratoire, comme des particules supersymétriques, des axions ou ne suffirait-il pas d'un nombre suffisamment important de trous noirs de masses stellaires, de vieilles étoiles à neutrons ou encore tout simplement de naines brunes ?

L'un des grands noms de la cosmologie, Joseph Silk de l'Université d'Oxford, et Benton Metcalf du Max Planck Institute for Astrophysics en Allemagne, ont joint leurs compétences pour tenter de répondre à cette question. Ils ont pour cela utiliser les observations portant sur la lumière provenant des fameuses supernovae SN Ia, couramment utilisées pour analyser l'expansion accélérée de l'Univers et la nature de l'énergie noire.

Leur raisonnement a été le suivant

Tout d'abord, en fonction de la nature des constituants de la matière noire, le champ de gravitation résultant ne sera pas le même et, entre autre par un effet de lentille gravitationnelle, il affectera la lumière émise par les supernovae d'un façon déterminée. Imaginons que la matière noire autour des galaxies soit constituée de naines brunes ou de trous noirs stellaires. Le halo des galaxies serait alors dominé par ce qu'on appelle des Machos, pour Massive Compact Halo Objets et non de WIMPs, les Weakly Interacting Massive Particules. Si l'on observe des SN Ia à plusieurs milliards d'années lumière, cela signifiera qu'il s'est écoulé suffisamment de temps pour qu'au cours de leurs trajets dans notre direction, les rayons lumineux de celles-ci aient été coupés par l'orbite d'une de ces naines brunes ou d'un de ces trous noirs.

En fonction de leur taille, il en résultera donc une perturbation spécifique. Si la matière noire est sous forme de particules microscopiques comme des WIMPs , ou même de mini trous noirs s'étant formés dans les tout débuts de l'Univers et plus petits qu'une montagne, cette perturbation sera très faible.

Détection des machos par leur influence sur la lumière provenant des supernovae. (Crédits : University of California)

Jointe à des contraintes comme les observations de WMAP ils sont alors arrivés aux conclusions suivantes à partir des observations de près de 300 supernovae :

- les particules sont les candidats les plus favorables pour expliquer la matière noire ;
- la matière noire ne peut pas être constituée seulement de corps dont la masse dépasse un dixième de la masse de la Terre.

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