Carte de la matière noire. © V. Springel et al., MPA Garching, The Millenium Simulation
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À quoi ressemblerait la matière noire si nous pouvions la voir ?

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[EN VIDÉO] Qu’est-ce que la matière noire ?  La matière noire est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique. Si les particules qui la constituent existent bien, elles devraient nous permettre de comprendre l'origine des galaxies. Mais leur nature reste un mystère. Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous explique cette question très ouverte. 

Une équipe interdisciplinaire est récemment parvenue à générer une carte de la répartition de matière noire dans une région spécifique, révélant avec un niveau de détails étonnant la manière dont celle-ci se structure.

Notre monde est composé de matière visible avec laquelle nous interagissons tous les jours : depuis nos habitations jusqu'à ce que nous mangeons, d'un clou dans un mur à l'ISS dans l'espace, la matière dite baryonique forme le corps de la réalité dans laquelle nous vivons. Néanmoins, celle-ci ne représente que la partie émergée de l'iceberg : cinq minuscules pourcents de l'ensemble de ce qui nous entoure. L'Univers serait en effet constitué à plus de 95 % de deux ingrédients mystérieux : la matière et l'énergie noires. Ne vous y trompez pas : l'adjectif « noir » ne désigne pas tant leur couleur que le caractère élusif de ces deux entités qui échappent encore et toujours aux appareils de mesure des chercheurs.

La matière noire : sur les traces de l'homme invisible

D'après nos modèles théoriques actuels, la matière noire représente 85 % de la matière dans l'Univers, et 27 % de la densité d'énergie totale de ce dernier. Comme un homme invisible, elle n'interagit pas avec la lumière et est donc impossible à observer directement. Mais il est néanmoins possible d'étudier les traces de son influence sur la matière baryonique. Nous savons à ce jour que la matière noire est froide et s'agrège en paquets, reliés par de minces filaments (minces à l'échelle de l'Univers). Nous savons également qu'elle forme souvent un halo autour des galaxies et est responsable de la majeure partie de leur masse.

Les plus grands halos englobent des amas de galaxies entiers, brillant si intensément que leur détection passe pour un jeu d'enfant. Grâce aux simulations informatiques, les chercheurs sont d'ailleurs progressivement parvenus à dessiner les contours de la distribution de matière noire dans le cosmos. Néanmoins, les halos de taille plus modeste demeurent virtuellement invisibles aux yeux des chercheurs. Trop peu massifs pour accueillir le germe d'une étoile ou d'une galaxie, ils sont souvent dénués de la moindre lueur et par conséquent, indétectables. Heureusement, une autre méthode pourrait être employée pour les mettre au jour.

Zoom sur la matière noire. © J. Wang, S. Bose, Center for Astrophysics

Trahie par sa lumière

Certaines théories suggèrent que la collision entre les particules de matière noire et les anti-particules de même nature serait à l'origine d'intenses sursauts gamma. Ce puissant rayonnement permettrait alors d'identifier jusqu'aux plus discrets des halos. « La majorité de ce rayonnement serait émise par des halos de matière noire trop petits pour contenir des étoiles, et les futurs observatoires gamma pourraient détecter ces émissions, rendant ces petits objets visibles individuellement ou collectivement », explique Carlos Frenk, professeur de physique fondamentale à l'université de Durham et coauteur de l'étude, parue dans la revue Nature. « Ceci confirmerait la nature hypothétique de la matière noire qui ne serait pas si noire après tout. »

L'équipe interdisciplinaire a eu recours à des superordinateurs européens et chinois afin de zoomer en profondeur dans cette carte de l'invisible. Leur travail révèle des structures saisissantes, sorties tout droit d'un rêve de Geiger ou de Beksiński : les filaments fantomatiques, ponctués de points sombres (halos), donnent l'impression d'une plongée dans le système sanguin d'un extraterrestre. Grâce à cette nouvelle méthode de détection et de visualisation, les chercheurs espèrent progressivement lever le voile sur cette étrange substance et sur la nature matérielle de notre réalité.

Pour en savoir plus

La matière noire cartographiée jusqu'à 1 milliard d'années-lumière

Article de Laurent Sacco, publié le 11 janvier 2012

C'est la plus grande carte de la distribution de la matière noire réalisée à ce jour. Révélée par un groupe d'astronomes, elle a été dressée avec la caméra MegaCam du Télescope Canada-France-Hawaï. L'accord obtenu avec les simulations de formation des grandes structures n'est pas favorable à des alternatives à la matière noire, comme la théorie Mond.

On attend toujours avec perplexité que la matière noire se montre au LHC ou dans des expériences comme Coupp. En attendant, les preuves indirectes de son existence issues de la cosmologie semblent toujours aussi solides et convaincantes. Les membres de la collaboration CFHTLenS (Canada-France-Hawaii Telescope Lensing Survey) ne vont certainement pas dire le contraire.

Pendant cinq ans, ces astronomes ont patiemment observé environ 10 millions de galaxies situées à presque 6 milliards d'années-lumière de la Terre. Grâce à la caméra MegaCam du Télescope Canada-France-Hawaï et ses 340 millions de pixels, ils ont mesuré l'effet de lentille gravitationnelle faible sur ces galaxies. Cet effet produit de légères déformations de leur forme, on en tient compte par exemple lorsqu'on analyse les images du rayonnement fossile.

Un amas de galaxies (galaxy cluster) déforme le tissu de l'espace-temps par son contenu en matière. Les rayons lumineux (orange) issus d'une galaxie derrière l'amas sont déviés et des images distordues de cette galaxie apparaissent pour un observateur sur Terre (Earth). Les caractéristiques de la théorie de la gravitation et la distribution de matière dans l'amas influencent la forme des images de la galaxie. C'est un effet de lentille (lens) gravitationnelle faible. Grâce à lui, on peut obtenir des informations sur la distribution de masses et la théorie de la gravitation. © Nasa-Esa

Carte de la matière noire : une réfutation de Mond

L'effet de lentille gravitationnelle découle de la déviation des rayons lumineux causée par le champ de gravitation de la matière s'interposant entre nous et les galaxies lointaines.

De cette manière, on peut mesurer la présence d'une composante de matière non lumineuse, ou l'effet d'une modification de la gravitation à l'échelle des amas de galaxies. Selon un membre de la collaboration CFHTLenS, Fergus Simpson, les résultats obtenus sont de nature à réfuter l'alternative à la matière noire qu'est la théorie Mond

La nouvelle carte de la matière noire est une centaine de fois plus large que la carte précédente, s'étendant sur une région large de un milliard d'années-lumière. Son accord avec des simulations numériques de la formation et l'évolution des amas de galaxies, comme la Simulation du millénaire, est particulièrement bon. Au final, cela conforte le modèle de concordance de la cosmologie standard avec de la matière noire et de l'énergie noire.

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