matiere noire f combes SAF 26 janvier 2008



Mise à jour le 1^er Février 2008


CONFÉRENCE de Françoise COMBES
De l'Observatoire de Paris (LERMA) "LA MATIÈRE NOIRE DANS L'UNIVERS et peut-on s'en passer?"
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris

Le Samedi 26 janvier 2008 à 15H00 à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.

Photos : JPM pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos
Comme d'habitude, la présentation PPT complète est sur le site de la SAF quelques jours après.
Elle est aussi disponible sur ma liaison ftp le fichier s'appelle : "f-combes-saf-jan2008" en format Power Point (ppt.4 MB ), ceux qui ne possèdent pas cette application peuvent télécharger gratuitement la visionneuse (PP viewer) qui permet de voir la présentation après installation. Seules certaines animations particulières ne pourront pas être visionnées complètement avec ce programme de remplacement.





BREF COMPTE RENDU



Seule une petite partie du nombreux public (60 personnes) est visible sur cette photo prise bien avant le début de la séance, merci à Françoise Combes du LERMA (Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique) de faire venir autant de monde.



Le titre de sa présentation :
La matière noire dans l'Univers et peut on s'en passer??

Tout d'abord il faut introduire le concept de matière noire et pour quelles raisons elle a été nécessaire théoriquement.

C'et le célèbre américano-suisse Fred Zwicky qui l'avait prévu il y a très longtemps. Il mesure la vitesse de quelques galaxies du Coma ainsi que leurs distances, il en déduit qu'elles sont 100à 500 fois plus massives que la masse totale évaluée de l'amas. Il est surpris et à cette occasion suppose qu'une matière noire invisible serait présente.
Il y a donc de la matière qui ne brille pas et qui perturbe le mouvement des étoiles au sein des galaxies.




On s'en aperçoit en étudiant la rotation des galaxies, en effet il y a une différence entre les mesures de vitesse de rotation observées à différents endroits des galaxies et ce que donne le calcul de la physique actuelle.

Échelle verticale : vitesse de rotation en différents points
Échelle horizontale : distance au centre de la galaxie.
Légende : B = vitesse des étoiles du bulbe galactique

D = vitesse des étoiles du disque
H = vitesse du halo matière noire).
La courbe en trait plein est la résultante observée, la courbe en trait plus fin est ce que l'on attendait, basé sur la matière visible uniquement.



En fait les étoiles tournent trop vite pour rester ainsi captives du centre de la galaxie, il doit y avoir autre chose d'invisible de présent.
Ce serait la matière sombre (dark matter).


On peut aussi mettre en évidence cette matière "noire" avec la raie de l'Hydrogène atomique HI à 21 cm comme dans M83 où l'on peut comparer une image optique et une image en HI. L'image en HI est beaucoup plus vaste que le visible. Il y a donc bien quelque chose.

D'autre part les études actuelles sur la composition de l'Univers nous portent à estimer la densité de l'Univers Ω :

Ωmatière : 25% Ω_Λ (énergie noire) : 75%

Oméga = Oméga matière + Oméga lambda = 1 , l'Univers est plat!


Où oméga représente le rapport entre la densité actuelle et la densité critique correspondant à un Univers plat de densité critique égale à 10^-29 g/cm³.

Toutes les mesures actuelles vont dans le sens d'un Univers plat ou presque plat (Ω= 1)

Le bruit de fond cosmologique (CMB) à 2,7K en est aussi une preuve, il représente ACTUELLEMENT une densité de 400 photons/cm3 ou 1% de la "neige" sur votre poste de télévision.
L'Univers est homogène et isotrope à 10^-5 près !!!

Cette image de l'Univers correspond à approximativement 300.000 ans après le Big Bang, lors de ce que l'on appelle la surface de la dernière diffusion des photons, on ne verra "jamais" plus loin dans le temps, car avant l'Univers était opaque.


Les petites anisotropies de ce CMB (voir photos de COBE et WMAP) nous renseignent sur les fluctuations ayant donné naissance aux galaxies.



INTÉRESSONS NOUS MAINTENANT AU SPECTRE EN PUISSANCE DE CES DONNÉES.
(Angular Power Spectrum en anglais) qui est la superposition de toutes ces harmoniques.

Graphique WMAP.
L'échelle horizontale inférieure peut être considérée comme étant proportionnelle au nombre d'onde (inverse de la longueur d'onde); l'échelle horizontale supérieure correspond à l'échelle angulaire du ciel; l'échelle verticale est proportionnelle aux fluctuations de température ou plutôt à leur puissance..
Ce graphique représente de combien varie la température en chaque point du ciel.
Le grand pic correspond à l'harmonique fondamental (comme pour un instrument de musique) qui indique la taille typique d'un "grumeau" du ciel approx 1°. Les pics secondaires (les "harmoniques") donnent d'autres informations complémentaires.
La gauche du spectre est celle qui s'éloigne le plus de la courbe idéale, il y a des anomalies locales. C'est la variance cosmique Cela correspond aux "basses fréquences" spatiales comme la perte de puissance dans les graves d'un instrument de musique.



On peut établir une correspondance avec des oscillations harmoniques comme nous le souligne F Combes avec la vue ci-contre.


Des mesures de COBE et de WMAP on déduit la constante de Hubble (l'expansion de l'Univers) comme étant égale à :

72 +/- 8 km/s par Mpc


et l'age de l'Univers à 14 Milliard d'années approximativement.




La composition de l'Univers serait aussi de :

73% d'énergie noire (invisible!)
23% de matière noire non baryonique (invisible!)
3,6% de baryons noirs (invisible!)
0,4% de matière visible (nous, les cafards, les étoiles..)


Donc plus de 99% de la matière de l'Univers est invisible et de nature inconnue!! Un peu frustrant, non?


C'est cette matière noire non baryonique qui va former les premières galaxies.



Au départ, se forment les galaxies avant les étoiles, les galaxies ne contiennent pas d'étoiles à l'origine mais de la matière noire et un puits de potentiel.

Voilà ce que l'on imagine pour la chronologie de formation des étoiles et galaxies.

La recombinaison correspond à z=1000 soit approx 300.000ans c'est le CMB. C'est le début de l'age sombre, il n'y a pas encore d'étoiles. Cette période va durer plusieurs centaines de millions d'années, jusqu'à ce que les premières étoiles et galaxies produisent d'intenses rayonnements UV.
Mais les UV ont la propriété d'ioniser les atomes c'est la raison pour laquelle cette phase est appelée ré-ionisation car la première ionisation était primordiale au moment du BB

À z=10 (500 Ma) apparaissent les premières étoiles, c'est la renaissance cosmique (cosmic renaissance), la fin de l'age sombre se produit vers z=6 (1 Ga).
Puis les galaxies évoluent vers ce qu'elles sont maintenant à z=0.



CONFIRMATIONS SUPPLÉMENTAIRES DE L'EXISTENCE DE LA MATIÈRE NOIRE :



Les lentilles gravitationnelles confirment aussi la matière noire avec les propriétés du cisaillement gravitationnel (cosmic shear).
En effet, les lentilles gravitationnelles témoignent de la déviation de la lumière par la matière sur la ligne de visée, donc cela donne l'info sur la matière totale, donc la matière noire, une fois prise en compte la matière visible.

Les Super Nova Ia (chandelles standard) sont aussi un élément important de confirmation de la nécessité d'introduire la notion de matière noire. Pour les SNIa, qui sont des chandelles standard, donc donnent la distance en fonction du redshift: elles donnent la loi de l'expansion en fonction du temps, et donnent donc une info qui fait intervenir a la fois la matière noire et l'énergie noire, car l'expansion et la courbure de l'univers sont dues aux deux (la matière décélère l'expansion et l'énergie noire l'accélère).

Ces valeurs ont été confirmées par diverses observations qui se recoupent, ce sont les contraintes cosmologiques actuelles que l'on peut voir sur le graphique ci contre (©R Knop et al).
En abscisse la densité de matière, en ordonnées la densité d'énergie.
Il y a recoupement autour des valeurs annoncées plus haut

Toutes ces contraintes sur ces paramètres permettent un consensus sur la densité de l'Univers telle qu'annoncée plus haut.

Cela semble indiquer que la théorie standard, appelée LCDM ou LCDM (Lambda Cold Dark Matter : matière noire froide, le lambda signifiant que l'on introduit une constante cosmologique active avec l'énergie noire) fonctionne à grande échelle.


MAIS……………


LES PROBLÈMES DE LA NOTION DE MATIÈRE NOIRE.


Il y a quelques problèmes ou questions liés à cette notion de matière noire, citons en quelques uns :

1- Un argument très fort : on n'a rien détecté directement, les particules que l'on recherche comme les WIMPS (weakly interactive massive particles) ne sont pas encore détectées.

2- Un autre type de particules pourrait être la base de la matière noire baryonique, les MACHOS (Massive Compact Halo Objects) mais là aussi pas détectées.


3- Il y a aussi un autre argument, toutes les simulations faites basées sur le modèle LCDM devraient induire une formation d'une multitude de petites galaxies autour des grandes, or ce n'est pas du tout ce que l'on constate. On a en fait 100 fois moins de petits halos autour des galaxies que la théorie ne le prévoit.



4- Mais l'argument le plus fort semble être le problème des cuspides (cusps en anglais, que l'on pourrait traduire par pointe ou pic) au centre des galaxies.
En effet, toujours quand on effectue des simulations sur d'énormes calculateurs, on devrait détecter une très forte concentration de matière au centre même des galaxies, mais on la détecte pas en réalité quand on étudie le ciel. On a l'impression que la matière noire se détruit elle même quand elle est en quantité trop grande.



Tout ceci a conduit à une mise en cause de la théorie LCDM et à essayer de trouver d'autres solutions :

Il existe plusieurs façons de résoudre ce problème.
· Par exemple, changer la loi de gravité à grande échelle serait une solution qui ne nécessite pas le recours à la matière noire. (MOND) Certaines théories proposent effectivement de modifier la loi de gravitation en fonction de la distance, mais cela ne marche pas très bien.
· Une autre possibilité, évoquée pour la première fois dans les années 1920 par Kalusa et Klein, est d'ajouter une autre dimension aux 4 dimensions connues (3 pour l'espace, et 1 pour le temps) dans laquelle la force de gravitation serait diluée. Dans le même esprit, de nombreuses théories, dont celle des cordes, rajoutent des dimensions supplémentaires, où là encore, g serait diluée.
· Certaines théories (théories des champs scalaires) ajoutent plutôt une 5ème force fondamentale aux 4 forces connues.


Analysons la première possibilité.

LA THÉORIE MOND : MODIFIED NEWTONIAN DYNAMICS.

C'est une théorie qui est basée sur la modification de la mécanique classique Newtonienne, elle est censée expliquer le problème de la courbe de rotation plate des galaxies spirales que l'on expliquait jusqu'à présent avec la matière noire.



Parmi les alternatives à la matière noire, c'est la théorie la plus complète, celle qui convient le mieux et qui explique le mieux toutes les observations. En gros, c'est un élargissement de la théorie de la relativité.


Avec MOND, par exemple, on garde la loi de Newton lorsque la force de gravité est supérieure à une valeur limite. Mais si elle est inférieure (à 2 10^-10 m/s2), on passe en gravité modifiée.

Cette théorie repose sur la modification de la deuxième loi de la mécanique (la célèbre F = m G) aux accélérations très faibles.
En deux mots, aux faibles accélérations la loi en 1/r² deviendrait une loi en 1/r, r étant la distance; la force d'attraction entre deux corps ne décroît plus comme le carré de leur distance mais comme l'inverse.

Apparemment, cette correction colle parfaitement avec les observations.





Elle a germé dans l'esprit du physicien Israélien M Milgrom en 1983.

Les points forts de la théorie Mond :
· Elle explique les mirages gravitationnels ;
· Elle peut reproduire les inhomogénéités du fond diffus cosmologique, qui constitue comme un fossile de l'Univers/
· Elle expliquerait l'anomalie des sondes Pioneer qui sont situées à plus de 100 UA et dont nous avons déjà parlée dans ces colonnes.
·
Mais il reste des points à expliquer dans le centre des amas qui ne sont pas en accord avec MOND.

MOND est elle juste? Le satellite Planck qui sera lancé bientôt devrait nous aider à trouver une réponse.


Bref , comme le dit F Combes, tout est ouvert………………………







POUR ALLER PLUS LOIN.

De Françoise Combes :

Un nouvel Univers par F Combes.

De F Combes en pdf Baryons and dark matter in outer disks

Un peu de lumière sur la matière noire par F Combes ppt de 6MB

Observation de la matière noire par F Combes ppt de 4MB

Histoire des galaxies par F Combes, ppt de 6 MB.

L'évolution des galaxies par F Combes.

Questions/Réponses de base sur l'Univers par F Combes.

Séminaires de F Combes sur les galaxies, matière noire etc..


Sur votre site préféré :

Énergie sombre et Univers

Au début fut la matière sombre

Cartographier la matière noire

La théorie de l'inflation par N Deruelle.

Hubble détecte la matière noire indirectement.

La grande simulation de l'Univers dans un super calculateur.

Autres références :

La matière noire par JC Boulay.

Un os dans la matière noire de B Lempel : http://pagesperso-orange.fr/lempel/matiere_noire_pas_si_noire.htm

La matière noire chez Wikipedia.

La matière noire chez cosmos gate.

Le "profil" de matière noire dans les galaxies et arguments pour/contre.

Le problème de la matière noire et MOND par JP Bruneton.

La simulation Millenium

Une simulation d'amas de galaxies

Cours de physique des particules et de cosmologie de l'Université de Strasbourg, très complet, on y parle aussi de matière noire, de densité etc….à voir au calme. Format ppt de 5,5MB

Gravitation modifiée et matière noire par B Famey de l'Institut d'Astronomie et d'Astrophysique de Belgique. Pdf de 12 pages.





Bon ciel à tous


Jean Pierre Martin SAF Commission de Cosmologie
www.planetastronomy.com