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Mise à jour le 7 Sept 2018

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CONFÉRENCE
«PLEIN FEUX SUR LA MATIÈRE NOIRE»

Par Nathalie PALANQUE-DELABROUILLE Astrophysicienne CEA Saclay

Organisée par l'IAP   98 bis Bd Arago, Paris 14ème

Le Mardi 4 Sept 2018 à 19H30

 

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

Vidéos des conférences proposées par l’IAP sur Canal U

 

BREF COMPTE RENDU

 

 

 

 

 

Nathalie Palanque-Delabrouille est chercheur au CEA en cosmologie ; elle fait aussi beaucoup pour la propagation de la science auprès des jeunes et du public en participant à de nombreuses émissions de radio, de télévision ou de podcats.

 

Elle a effectué sa thèse à Chicago avec le professeur David Schramm, sur la nucléosynthèse primordiale.

 

Elle participe activement à l’expérience DESY.

 

 

 

Je reprendrais par moment certains textes déjà écrits sur le sujet de ce soir.

 

 

 

 

 

 

LES FAITS HISTORIQUES.

 

Au début du XXème siècle, l’Univers était simple : étoiles, galaxies et gaz.

 

Mais les premières énigmes arrivèrent grâce ou à cause de Fritz Zwicky, un astrophysicien américano-suisse un peu farfelu et au caractère pour le moins épouvantable ; en 1933 il s’intéresse à la vitesse des galaxies de l’amas de Coma, amas qui se compose de quelques milliers de galaxies comme la nôtre.

Et que remarque-t-il ?

La vitesse de ces galaxies n’est pas conforme à ce que l’on attendait, elles se déplacent trop vite, comme si une très importante masse invisible était présente. Il vient de mettre le doigt sur la matière noire.

 

La dispersion des vitesses des galaxies dans l’amas de Coma est :

Mesurée à 1020 Km/s alors que la prédiction est de 80 km/s

L’amas de Coma serait 100 fois plus lourd que la somme de ses galaxies !

 

Mais le caractère « spécial » de Zwicky ne le fait pas prendre au sérieux par la communauté scientifique.

 

Il va falloir attendre 40 ans pour remettre au goût du jour les découvertes de Zwicky.

 

En effet dans les années 1970, Vera Rubin, une astronome qui va devenir très célèbre, fait la même expérience que Zwicky a faite, mais avec les étoiles de notre Galaxie, et on observe un phénomène similaire : la vitesse des étoiles devrait décroître (courbe jaune) en s’éloignant du bulbe (car en principe moins de matière, loi de Newton) ; or les vitesses augmentent (courbe des points bleus).

 

Il y aurait donc là aussi une matière invisible présente, mais agissant conformément aux lois de la gravité.

 

Elle serait dans un halo englobant notre galaxie.

 

 

 

 

 

 

 

Dans les années 1990, une nouvelle méthode, les lentilles gravitationnelles met au jour de nombreuses influences de cette matière inconnue.

 

Comme par exemple avec Abell 2218 ou Abell 1689.

 

On rappelle cet effet :

Lorsque la lumière d’une étoile source lointaine, passe devant une masse importante (de matière noire par exemple), on obtient des images «mirages» multiples dont le nombre et la forme dépendent de cette masse « lentille ».

Dans tous les cas il y a amplification de la lumière source.

 

 

 

 

 

 

LES PISTES.

 

 

Alors cette matière noire, ce serait peut-être des WIMPS ? (Weakly Interactive Massive Particles) des particules massives interagissant peu.

 

Ces WIMPS se seraient créés au moment du Big Bang, mais on pense qu’il en resterait aujourd’hui, on les cherche !

 

Ils ne sont pas faciles à détecter car ils interagissent très peu avec la matière (comme les neutrinos)

 

On a essayé d’en produire au LHC : sans succès !

 

On les cherche par exemple sous une montagne (1700m) avec l’expérience Edelweiss dans le tunnel de Modane.

On cherche l’interaction d’un WIMP avec un cristal de Germanium ultra pur et qui devrait élever sa température d’un millionième de degré.

À ce jour, pas de résultats positifs.

 

 

Si on ne peut pas détecter directement les WIMPS, peut-on détecter leur « ombre » ?

 

Le télescope spatial Fermi, spécialisé en détection gamma a remarqué un excès de gamma dans le centre de notre galaxie, même après correction des pulsars.

 

 

On trouve le même phénomène dans Andromède.

 

 

Serait-ce une accumulation de WIMPS ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les informations sont un peu contradictoires, donc on ne peut pas conclure sur l’hypothèse WIMP au centre des galaxies.

 

 

Il faut peut-être chercher une autre voie ?

 

Y aurait-il donc un autre candidat pour la matière noire ?

 

Tout cela étant lié à la « température » de la matière noire.

 

 

 

 

 

LA TEMPÉRATURE DE LA MATIÈRE NOIRE.

 

 

On peut penser à différents types de matière noire suivant leur « température » : chaude, froide ou tiède, en fait la notion de température repose sur la vitesse des particules au moment du découplage du plasma primitif.

 

La matière noire chaude (HDM Hot Dark Matter) correspond à des particules très rapides et donc relativistes (par exemple les neutrinos)

 

La matière noire froide (CDM : Cold Dark Matter) correspond à des particules plus lentes.

 

Modèle intermédiaire, la matière noire tiède (WDM : Warm Dark Matter).

 

 

 

 

 

Mais comment les différencier ?

 

En effectuant des simulations !

En comparant un univers rempli de matière moire froide (CDM) et un autre de matière noire tiède (WDM) comme cette simulation sur le site de CLUES (Constrained Local UniversE Simulations) :

 

http://www.clues-project.org/misc/movies/gas/B64_WM3_combine_CDM_WDM_LG_gas_evol.avi

 

 

Et à la fin (aujourd’hui) on compare les résultats.

 

 

Et il y a un problème avec le nombre de galaxies satellites de la Voie Lactée. On n’en aurait pas trouvé suffisamment à ce jour avec la matière noire froide.

 

Est-ce un problème d’instrumentation ?

 

 

Et à grande échelle ?

 

 

 

 

 

 

 

 

Il semble que la matière noire froide soit en très bon accord, néanmoins, on ne peut pas totalement exclure le neutrino stérile ! 

 

 

Alors…

 

 

 

Abordons un point de vue tout à fait différent.

 

 

Modifions donc les lois !!

 

 

 

 

 

 

L’ASPECT LÉGISLATIF.

 

Y a-t-il d’autres possibilités d’explication ?

 

On a donc pensé modifier les lois de la gravité, lois qui ne seraient plus valables à très grande distance. Cela a donné naissance à la théorie MOND (Modified Newton Dynamics).

 

Alors, effectivement pour les étoiles tournant dans le halo autour d’une galaxie cela semble fonctionner comme on le voit sur le graphe ci-contre.

 

Le test maintenant est sur les amas de galaxies.

Que se passe-t-il entre les différentes masses de gaz ?

 

L’essentiel de la masse dans les amas est sous forme de gaz et non de galaxies.

 

 

 

 

 

 

Notre conférencière nous explique très clairement le phénomène avec les deux slides suivantes.

 

Cas avec MOND

Cas avec matière noire

 

L’essentiel d’un amas est sous forme de gaz et non de galaxies !

 

 

Un bel exemple nous est donné par l’amas du boulet très connu (Bullet Cluster)

 

En rose le gaz après la collision, on détermine où se trouve la masse après la collision (repérée en bleu), elle a été déformée par la gravitation, elle correspond à un effet matière noire.

 

Image composite de l'amas 1E 0657-56, sa formation résulte de la collision de deux énormes amas de galaxies. Les gaz chauds détectés par Chandra dans le domaine des rayons X apparaissent en rose sur la photo et contiennent la plupart de la matière normale ou baryonique des deux amas. Le nuage bleu sur la droite en forme de balle de fusil (d'où le nom de bullet cluster) est le gaz chaud d'un des amas qui est passé au travers des gaz chauds de l'autre amas pendant la collision, de même pour le nuage bleu de gauche.

Donc ce phénomène est incompatible avec MOND.

 

 

 

 

La NASA nous fournit aussi une petite animation vidéo mpeg de 2,9MB montrant le phénomène

 

 

CONCLUSION.

 

La matière ordinaire ne peut tout expliquer.

 

 

Il semble bien qu’il y ait une matière inconnue et invisible qui soit nécessaire à la structure de l’Univers.

 

 

Deux pistes ont été étudiées :

·         Les WIMPS et

·         Les neutrinos stériles

 

 

Il est peu probable qu’un mélange des deux soit la solution.

 

 

Il faut continuer à chercher….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

 

 

Neutrino mass and Warm Dark Matter in cosmology par N Palanque Delabrouille

 

Neutrinos: a major role in astrophysics and cosmology par N Palanque Delabrouille

 

Cosmology with Lyα forests from BOSS par James Rich DPhP-IRFU

Cosmology With The Lyman αlpha Forest par D Weinberg et al

 

Dark Matter par Annenberg Learner.

 

Observation d'un excès de photons gamma dans le centre de la galaxie d'Andromède

 

Les nouveaux messagers du cosmos : CR de la conf. SAF (Cosmo) de N Pal. Delabrouille du 20 sept 2014

 

La matière noire : CR de la conf SAF de F Combes du 15 Juin 2018

 

Recherche de la matière noire : CR de la conf SAF (Cosmologie) avec M Cirelli du 16 Dec. 2017

 

La matière noire et le neutrino stérile par Th Lasserre du CEA dans le cadre de l'école Chalonge

 

La pâle lumière de la matière noire : CR de la conférence de GF Bertone à l'IAP le 4 mars 2008

 

 

 

 

 

Bon ciel à tous !

 

 

Jean Pierre Martin .Commission de Cosmologie de la SAF.

www.planetastronomy.com

 

Les autres CR des conférences IAP.

 

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