14 Nov
5:09

Aujourd’hui, nous partons pour un voyage au cœur de la matière. Ce trajet nous transportera des principes fondamentaux de la matière jusqu’aux mystères de la matière noire. Attachez vos ceintures, c’est parti.

 

Introduction sur la matière

 

La matière, c’est ce qui compose absolument tout ce qui existe dans l’univers. La matière peut être retrouvée dans différents états : solide, liquide, gazeux ou plasma. La propriété fondamentale de la matière est de posséder une masse. La matière que nous connaissons est composée de baryons, c’est pour cela qu’on l’appelle la matière baryonique. Un baryon est une catégorie de particules possédant une masse non négligeable. Les baryons les plus connus sont les neutrons et les protons et, étant également de la famille des hadrons, ils sont composés de trois quarks.

 

La matière non baryonique

 

Cette expression fait référence aux formes de matière qui ne sont pas composés de baryons. L’une des formes potentielles de matières baryonique est connue sous le nom bien mystérieux de matière noire. Pourquoi ce nom ? Parce que cette matière est invisible… c’est à dire qu’il nous est impossible de la détecter. Mais alors, comment est-on arrivé à l’éventualité qu’un tel type de matière puisse exister ? C’est en mesurant la masse des galaxies que les scientifiques sont tombés sur une incohérence. Il semble en effet que la matière noire intervienne dans la dynamique des galaxies et des amas de galaxies sans pour autant émettre de rayonnement qui nous permettrait de la détecter.

 

La matière noire : composition

 

Différentes hypothèses s’affrontent pour sa composition. Il est possible qu’elle soit composée de particules élémentaires non présentes sur Terre. Une autre possibilité serait que la matière noire soit en fait constituée de nuages moléculaires qui sont extrêmement difficiles à détecter ou encore des trous noirs. Le problème est que les estimations réalisées sur la densité de l’univers et le nombre de particules qui le composent, nécessitent l’existence de particules jusqu’alors inconnues, d’où l’hypothèse de matière non baryonique. Ce qui est incroyable, c’est que cette matière noire semble se trouver partout. Pour que les estimations sur la masse des galaxies tiennent debout, il faudrait que cette matière noire représente cinq fois la quantité de matière baryonique.

 

Naissance de l’hypothèse de matière manquante : la matière noire

 

Le premier chercheur a avoir repéré cette incohérence est le Suisse Fritz Zwicky en 1933, ce dernier voulait étudier un groupe de galaxies situés dans l’amas de la « chevelure de Bérénice » (vous noterez le nom toujours très poétique) pour pouvoir en calculer la masse en regardant leur dispersion de vitesse puisque la différence de vitesse entre les astres d’un amas est liée à la masse au sein de l’amas. Zwicky compare alors la masse dynamique (déduite de son influence gravitationnelle) à la masse lumineuse, c’est à dire la masse déduite d’après la quantité de lumière émise par l’amas. Le scientifique constate alors que la vitesse dynamique est 400 fois plus élevée que la vitesse lumineuse. Cependant, rien ne l’alarme car les instruments de mesures étaient alors peu précis et les corps tels que les trous noirs ou les gaz moléculaires sont très peu lumineux et pouvaient participer à l’erreur de mesure.

 

En 1970, l’américaine Vera Rubin souhaite étudier la rotation des galaxies spirales. De nouveau l’idée est de comparer la masse lumineuse provenant des étoiles composant la galaxie à la masse dynamique de ces dernières. Pour la masse lumineuse, Rubin fait l’hypothèse que la galaxie est constituée exclusivement d’étoiles et estime la masse lumineuse à partir de la distribution de ces étoiles dans la galaxie. La scientifique observe alors que les étoiles situées à la périphérie de la galaxie tournent à une vitesse trop importante car celle-ci ne diminuait pas malgré l’éloignement du centre de la galaxie. L’hypothèse envisagée est donc l’existence d’une énorme quantité de matière non visible.

 

Récents résultats

 

En 2006, une équipe annonce avoir observé pour la première fois de la matière noire. Ceci a été réalisé en observant l’amas de la Balle. Cet amas résulte en réalité de la collision de deux amas voisins. Les chercheurs ont souhaité analyser l’effet de mirage gravitationnel afin de déterminer la distribution de masse dans la paire d’amas. Ils ont ensuite comparé cette distribution de masse avec celle de la matière ordinaire donnée par l’observation lumineuse. Celle-ci fut obtenue par l’émission de rayons X provenant du gaz très chaud de l’amas des suites de la collision. La matière noire n’était pas située au même endroit que la matière baryonique, les chercheurs pensent qu’elle n’aurait pas été impliquée dans la collision.

 

Malheureusement pour réellement confirmer l’existence de matière noire il faudrait que sa présence soit prouvée par une observation directe telle l’interaction entre des particules de matière noire avec les détecteurs ou bien la création d’une particule de matière noire grâce à un accélérateur tel que le LHC (suivez ce lien pour de plus amples informations).

 

Concernant la nature de la matière noire, deux théories avaient été émises : la matière noire chaude et la matière noire froide. Ces deux théories divergeaient par rapport à la vitesse supposée des particules qui composeraient cette matière noire. Dans le cas de la matière chaude, les particules approcheraient la vitesse de la lumière tandis que les particules composant la matière froide seraient beaucoup plus lentes. Le neutrino serait la particule envisagée pour la composition de la matière noire chaude tandis que les WIMP et les MACHO seraient les candidats idéaux pour la matière noire froide. De nos jours, la théorie de matière froide semble l’emporter et est majoritairement soutenue par la communauté scientifique.

 

Voilà qui conclue cet article. L’avenir nous apprendra certainement plus d’éclaircissements sur cette matière noire car ce domaine de recherche avance très vite. Restez donc à l’écoute, sur 2 Steps From Science !

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Billythekid

PhD Student in Biophysics

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