Les avatars de la matière noire

Lentilles Gravitationnelles

1979 : Découverte de la première lentille gravitationnelle.

Nous parlons ici d'"Anneau d'Einstein" ou de lentille gravitationelle:

une galaxie massive tord la lumière provenant d'une galaxie plus

lointaine formant ainsi un anneau. C'est une sorte de mirage

gravitationnel. Il est le résultat de la déformation en forme d'anneau

ou d'arc d'une source lumineuse qui passe à travers un corps céleste

extrêmement massif, comme une galaxie ou un trou noir.

On mesure la quantité de masse d'un amas en mesurant son potentiel gravitationnel, grâce à l'effet de la lentille gravitationnelle. Cet effet est dû à la déviation des rayons lumineux en provenance du corps observé, lorsqu'un corps est interposé entre l'observateur et le corps observé. On distingue deux situations : les lentilles faibles (weak lensing) où les images sont simplement déformées, ou contractées en direction du corps massif. On distingue aussi les lentilles fortes (strong lensing) où les images sont dédoublées, une seule source apparaissant sous l'aspect de plusieurs arcs de lumière. Cet effet permet de calculer précisément la masse d'un corps, car il présente une propriété particulière : cet effet est sensible à l'ensemble des masses présentes, indépendamment de leur nature. Par conséquent, la matière visible ne représente qu'environ 10% de la masse responsable des effets de la lentille. Enfin, cette propriété permet de dresser une véritable carte de densité en matière noire de l'amas : on se rend compte donc que la matière noire est distribuée de façon plus diffuse que le gaz, lui-même moins concentré que les galaxies.

D'après la relativité générale, les masses considérables courbent l'espace-temps. Or, l'Univers est composé de nombreuses masses, donc l'espace-temps a une forme très irrégulière. Cependant, il semblerait que l'Univers soit très homogène à grande échelle (comme si l'on regardait une tôle d'acier de loin, qui semble être lisse, mais qui est froissée de près). On constate, par des observations astronomiques, que l'espace est plat, c'est-à-dire que la courbure globale de l'Univers est nulle.

De manière théorique, cette courbure est reliée à la densité totale de matière et d'énergie. La platitude de l'espace-temps permet de chiffrer avec précision la densité masse-énergie de l'Univers : elle est de 5,7 atomes d'hydrogène par m3 . La densité qui rend l'espace plat est appellée densité critique. Aux erreurs de mesure près, la densité de l'Univers est égale à la densité critique.

Concrètement,, on obtient une densité bien inférieure à la densité critique, de l'ordre des 1% de la densité critique. La densité de l'Univers est plus grande que celle que l'on observe. C'est une des facettes du problème de la matière noire.

La vitesse des étoiles dans les galaxies elliptiques

L'analyse des vitesses des étoiles dans les galaxies elliptiques font apparaître un problème : les vitesses sont trop élevées. Cette constatation a introduit le concept de matière noire, matière encore inconnue aujourd'hui, qui accélérerait les étoiles au sein des galaxies. A l'échelle de notre système solaire, ce problème n'apparaît pas : plus les planètes sont proches du Soleil, plus leur vitesse de rotation augmente. A noter que le terme "accélérer" est à nuancer; en effet, on observe plutôt une stagnation de la vitesse de rotation sur le diagramme. Néanmoins, la vitesse de rotation des étoiles reste trop élevée pour pouvoir négliger cette idée de matière noire. De ce fait, la matière noire est une matière n'interagissant presque pas avec la matière ordinaire (ce qui explique pourquoi la vitesse de rotation observée est trop élevée; la matière noire ne freine pas les étoiles), n'émettant pas de rayonnement et ne disposant pas de charge électrique. La nature de cette matière noire sera développée plus en détails dans la rubrique "Candidats de la matière noire". D'autres études vont venir compléter ces observations, pour étudier la forme des halos de matière noire.