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CERN (Francais) | Geneva | Switzerland

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Cosmologie et matière sombre

Troisième volet d’une série de quatre sur la matière sombre

Voici le troisième volet d’une série sur la matière sombre. J’ai déjà examiné comment elle se révèle à travers des effets gravitationnels et l‘absence de preuves directes d’interaction avec la matière visible. Voyons maintenant comment la cosmologie soutient également l’existence de la matière sombre.

Graines de galaxies
Il est maintenant largement admis que toute la matière (sombre et visible) était distribuée uniformément juste après le Big Bang. En résumé, une expansion rapide a suivi pendant laquelle l’Univers s’est refroidi et les particules ont ralentit suffisamment pour former des noyaux, et ce trois minutes après le Big Bang. Les premiers atomes sont apparus 300 000 ans plus tard, et les galaxies se sont formées entre une centaine et un millier de millions d’années plus tard. Bon.

BigBang-fr

Comment l’Univers est-il passé d’un gigantesque nuage de matière uniformément répartie à la formation de grandes structures comme les galaxies? La matière sombre est probablement à blâmer.

Etant plus lourde que la matière ordinaire, elle s’est ralentie plus tôt. De petites fluctuations quantiques ont évolué en minuscules grumeaux de matière sombre. Ces grumeaux ont grossi en attirant plus de matière sombre sous l’effet de l’attraction gravitationnelle et cela a fait boule de neige. Puisque la matière sombre n’interagit que très faiblement, cette petites graines ont aussi pu résister à la tempête des débuts de l’Univers.

Une fois la matière visible refroidie après l’expansion de l’Univers, elle a commencé à s’accumuler sur les grumeaux de matière sombre. Par conséquent, la matière sombre a semé les graines des galaxies. «Tout cela aurait aussi été possible sans la matière sombre, mais il aurait fallu beaucoup plus de temps», explique Alexandre Arbey, théoricien au CERN.

Simuler la formation de l’Univers
Pas convaincu-e ? Aujourd’hui, les cosmologistes peuvent reproduire ce processus à l’aide de simulations informatiques. Comme point de départ, ils et elles injectent dans leurs modèles la quantité de matière ordinaire et sombre présente juste après le Big Bang. Les observations du fond diffus cosmologique fournissent ces estimations. Puis on laisse évoluer le tout sous l’effet attractif de la gravité et répulsif de l’expansion de l’Univers.

Toutes ces suppositions doivent converger pour reproduire la quantité de matière sombre observée aujourd’hui, une quantité appelée «l’abondance relique”. Si tout est bien réglé, les scientifiques peuvent reconstituer toute l’évolution de l’Univers en accéléré depuis le Big Bang jusqu’à nos jours.

computer-simulation
Les résultats sont frappants comme le montrent les trois photos ci-dessus. Ces images générées par ordinateur montrent la distribution de la matière sombre 470.000.000 années après le Big Bang, puis 2,1 et 13,4 milliards d’années plus tard (aujourd’hui). La matière sombre forme d’abord de petits grumeaux, puis de longs filaments et enfin des structures à grande échelle apparaissent.

Des scientifiques du CNRS viennent de publier une vidéo étonnante montrant comment ils et elles utilisent maintenant ces méga simulations dans l’espoir de sélectionner parmi les différents modèles de matière et d’énergie sombres celui qui correspond aux observations actuelles.

Matière sombre froide
Une autre approche permettant de sélectionner quelle théorie de la matière sombre correspond le mieux à la réalité a été démontrée le mois dernier par un groupe de scientifiques travaillant avec le télescope Subaru. L’équipe a étudié la distribution de matière sombre dans cinquante amas de galaxies. La moyenne de toutes les données montre que la densité de matière sombre diminue progressivement à partir du centre des amas galactiques jusqu’à leurs contours diffus.

Cette mesure correspond aux prédictions de la théorie de la matière sombre froide (CDM), qui stipule que celle-ci est composée de particules se déplaçant lentement. Pour de la matière sombre chaude, les particules se déplaceraient presque à la vitesse de la lumière, comme les neutrinos.
Galaxy-cluster-density-Subaru
La théorie de la matière sombre froide prédit que les régions centrales des amas de galaxies ont une densité de matière sombre inférieure tandis que les galaxies individuelles ont un paramètre de concentration élevé.

Signaux inexpliqués venus de l’espace
Les astronomes n’apportent pas que des éléments de réponse au mystère de la matière sombre mais soulèvent aussi des questions. Par exemple, il y a une dizaine d’années, l’expérience INTEGRAL-SPI a trouvé une source de rayons gamma intense à 511 keV en provenance du centre galactique, là où la matière sombre est la plus concentrée. Cette valeur de 511 keV correspond exactement à l’équivalent en énergie de la masse d’un électron ou positron.

diagramme

Cela avait donc toutes les allures de particules de matière sombre s’annihilant ou se désintégrant en une paire d’électron et positron, puis ceux-ci s’annihilant en rayons gamma comme dans le diagramme ci-dessus. Malheureusement, aujourd’hui l’intérêt s’estompe car les théoricien-ne-s peinent à définir un mécanisme expliquant cet effet tout en respectant les nombreuses contraintes imposées par d’autres observations.

Plusieurs expériences à bord de satellites (HEAT, Pamela et FERMI) ont observé un excès de positrons dans les rayons cosmiques. Un positron est l’antimatière de l’électron. Puisque la matière l’emporte sur l’antimatière dans l’Univers (autrement, nous et les galaxies ne serions pas là), difficile d’expliquer l’origine de ces positrons.

Plusieurs théoricien-ne-s ont invoqué des sources astronomiques comme les pulsars, mais le débat est loin d’être clos. Seraient-ce les premiers signes concrets de matière sombre interagissant avec la matière visible? L’expérience AMS à bord de la Station spatiale internationale a déjà démontré la haute qualité de ses données et pourrait bien trancher d’ici peu.

La matière sombre conserve son mystère, mais tout évolue rapidement. Dans mon prochain blog, j’aborderai comment le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN pourra contribuer après son redémarrage en 2015.

Premier volet: Comment sait-on que la matière sombre existe?

Deuxième volet: Comment mettre la main sur la matière sombre

Quatrième volet: Le LHC résoudra-t-il l’énigme de la matière sombre?

Pauline Gagnon

Pour être averti-e lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution

 

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10 Responses to “Cosmologie et matière sombre”

  1. Daniel LEBOIS says:

    Merci Pauline pour vos très intéressantes informations sur le LHC et sur la Physique des particules. Ingénieur en retraite, je les résume et simplifie depuis le démarrage du LHC, pour tout un groupe d’amis qui sont intéressés, sans en avoir tous le temps ou les compétences nécessaires. ( j’en suis au n° 81 ! )
    Je vous cite régulièrement !
    C’est formidable … !!!
    DL

    • CERN (Francais) says:

      Merci Daniel. Bien contente de voir que ces blogs vous sont utiles. C’est très stimulant de savoir que des personnes comme vous qui ne sont pas physicien ou physicienne s’intéressent à notre travail. Merci de votre fidélité, Pauline

  2. Chris says:

    The Big Bang is “Le Big Bang” in French. I thought it would be “Le Grand Coup”.

    • CERN (Francais) says:

      En effet, ce pourrait être quelque chose comme ça mais on utilise quand même l’expression anglaise. Voilà.
      Bonne journée, Pauline

  3. What? says:

    bonjour
    Je cherche a lancer une idee qui me parait pourtant evidente.
    Nous avons creer de toute piece une matiere noir et une energie noir pour expliquer la structure de l’Univers.
    Elles se DOIVENT d’exister dit-ont.
    Si la theorieverifier de la delocalisation dans l’espace et le temps tiennent la route, pourquoi personne m’envigeage la possibilite que toute cette matiere et energie manquante ne seait en fait qu’une accumulation de celles-ci dans le temps?
    Exemple; Un electron est, en incertitude quantique ou avec un laps de temps suffisant, a tout les endroit possible de son orbite creant ainsi une sphere quasi-indestructible autour du noyau.
    Si le temps n’est qu’une dimension et que tout s’y trouve encore quelque part, et bien, la voila votre matiere mysterieuse!!
    dans cette delocalisation temporelle, elle contribut a maintenir la structure de l’Univers et contribut a son inflation.
    juste une idee.

    • CERN (Francais) says:

      Cher “Getreal”,

      je crois que vous lisez trop de science fiction. Malheureusement, vos assomptions sont toutes teintées d’irréalisme et de déformations plus ou moins subtiles. Le tout finit par ne plus correspondre du tout à la réalité. Au final, ça ne tient pas beaucoup la route… Mais on peut toujours rêver.

      Bonne journée, Pauline

  4. What? says:

    D’accord Pauline mais imaginer l’existance d’une matiere qui occuperait 95% de notre Univers et que nous ne percevons aucunement (autre que ses effets) pour justifier nos theorie cosmologiques est pour moi une hypothese aussi farfelue. C’est comme affirmer la theorie de l’evolution avec seulement 5% des observations necessaires pour la justifier, ce qui n’est heureusement pas le cas. Ce n’est pas dans la science-fiction que j’ai appris que le temps present (lineaire pour nous) n’existe pas aux yeux de l’Univers, mais dans la science actuellement enseignee. Si chaques moments n’est pour l’Univers qu’une position temporelle, pourquoi n’en serait-il ainsi pour sa matieres et son energie? Nous savons que le temps tel que nous le percevons n’est qu’une illusion de notre perception etpourtant nous nous efforcons a expliquer un etat cosmologique a un moment donner au lieux d’y voir l’ensemble depuis le debut. Pour moi, une explication avec moins de 5% de donnees observees n’est meme pas une hypothese coherante. Chacune de nos predictions sur les etapes du devellopement de l”univers s’avere erronees a chaques nouvelles observation. C’est comme chercher desesperement un boson de Higg et y donner le nom a la premiere particule exotique qui nous saute au visage. Mais merci de me repondre que mes idees son farfelues et sans fondements. sans rancune.;)

    • CERN (Francais) says:

      Bonsoir,

      ce que je voulais dire, c’est qu’il me semblait que vous confondiez beaucoup de chose, en y injectant en plus un brin d’imagination et de science fiction.Pour moi, le temps est une réalité concrète et physique, pas une illusion. Cela ne vous empêche pas d’avoir vos propres idées là-dessus.

      Bonne soirée, Pauline

  5. Hamid Fadel says:

    Bonjour Pauline,
    L’énergie et la matière sombre sont des réalités concrètes et tout ce que vous évoquez dans votre article se repose sur des faits bien solides. Mais le plus important reste à trouver, à savoir la matière physique qui entre dans la composition de la matière sombre. Si le modèle standard de la physique des particules ne peut pas répondre c’est qu’il existe une faille quelque part, et je crois que cette faille se trouve dans la physique nucléaire et plus précisément dans la structure du noyau des atomes. Ce que je propose est le suivant : La matière sombre se compose essentiellement d’antimatière, les anti-nucléons (anti-protons et anti-neutrons) s’associent pour former des systèmes fermés dépourvues de l’interaction électromagnétique. La matière sombre joue un rôle primordiale et fondamentale dans la formation de la matière et par la suite des galaxies. En ce qui concerne l’énergie sombre, il se compose de ce que les chercheurs appellent les faux photons, émis en même temps que les deux photons dans les dernières expériences au CERN et qui laissent des traces dans les détecteurs.
    Cordialement Hamid.

    • CERN (Francais) says:

      Bonjour Hamid,

      on est d’accord pour la première partie mais pas sur la nature de la matière sombre. Matière et anti-matière opère de façon similaire. elles répondent toutes les deux aux même forces (électromagnétique comprise). Donc ce ne peut être cela. On ne peut pas former de systèmes fermés comme vous le suggérez, on sait par expérience que ce n’est pas comment l’anti-matière se comporte. Il y a justement tout un programme de recherche en cours au CERN sur l’antimatière. On pourra bientôt vérifier que les systèmes tels que de l’anti-hydrogène 9fait danti-protons et de postrons) se comportent en tout point comme la matière (mêmes raies spectrales, même réaction face à la gravitation etc.). Les antiprotons sont des anti-nucléons qu’on connait bien et ils se comporte exactement comme les autres nucléons.

      Donc bonne idée mais malheureusement pas la bonne réponse.

      Bonne journée, Pauline

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