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Leçons inaugurales

La matière noire dans l’univers

Extraits de la leçon inaugurale du 18 décembre 2014
Françoise Combes
p. 5

Texte intégral

L'amas Abell 370 où le premier arc a été découvert par Soucail et al. (1987)

1La notion de matière noire, détectée indirectement par son action gravitationnelle, mais qui ne rayonne pas, remonte à l’astronome suisse Fritz Zwicky, qui observait aux États-Unis des amas de galaxies dans les années 1930.

2Pour estimer la masse totale d’un amas de galaxies, comme celui de Coma, il estime que les amas sont assez denses et concentrés pour présenter un équilibre entre mouvements désordonnés (énergie cinétique) et forces gravitationnelles (énergie potentielle), et donne une estimation de la masse totale, à partir des vitesses Doppler mesurées. Il trouve une masse plus de cent fois supérieure à la masse visible des galaxies.

3L’évidence de masse manquante apparaît aussi autour des galaxies spirales, qui sont des disques d’étoiles et de gaz en rotation. La vitesse de rotation des étoiles ne tombe pas avec la distance au centre, comme attendu lorsqu’il n’y a plus de masse visible. Encore incertain avec les mesures optiques, le problème devient très aigu après la découverte en ondes radio de grandes quantités d’hydrogène atomique grâce à sa raie à 21 centimètres de longueur d’onde. Il est alors établi solidement que la vitesse de rotation ne descend pas.

4En 1980, plus de quarante ans après les premières découvertes de Zwicky, le consensus se fait sur l’existence de la matière noire. Mais on ne parle encore que de matière ordinaire, faite de baryons (neutrons, protons). Dans la décade suivante va émerger l’idée d’une matière noire exotique, non baryonique.

5Le changement de paradigme en 1984 provient de plusieurs avancées en cosmologie survenues dans les années précédentes. Tout d’abord, la découverte du fond cosmologique micro-onde par Penzias et Wilson en 1965 confirme la théorie du Big Bang pour les premières phases de l’univers. La nucléosynthèse des éléments comme l’hélium et le deutérium dans les premières minutes de l’univers donne alors des contraintes sur la densité de protons et de neutrons présents. En 1975, la mesure précise des abondances de ces éléments établit que la matière ordinaire ne peut pas dépasser 5 % du contenu total de l’univers.

6Par ailleurs, les protons sont piégés avec les photons du fond cosmologique jusqu’à leur recombinaison en atomes d’hydrogène, qui survient environ 400 000 ans après le Big Bang. Dans le fond micro-onde, on devrait voir les fluctuations de densité qui ont donné lieu ensuite aux grandes structures et aux galaxies. Pourtant, ces fluctuations sont extrêmement faibles, et dans les années 1980, on réalise que si l’on doit attendre la recombinaison des atomes d’hydrogène, alors les structures ne peuvent pas se former. Il est donc nécessaire de faire appel à une matière noire qui n’interagit pas avec les photons et peut s’effondrer sous sa propre gravitation avant la recombinaison. L’existence d’une matière noire exotique, faite de particules encore inconnues, s’impose alors.

7En 1976, les premiers candidats sont les neutrinos, dont on vient d’apprendre qu’ils ont une masse. Mais très vite, les astronomes remarquent que les neutrinos sont une matière noire chaude, à vitesse relativiste au départ. Ces particules rapides créent une pression qui empêche la matière de s’effondrer. Il ne se formerait alors que de très grandes structures, qui ensuite pourraient se fragmenter. Mais ce scénario n’est favorisé ni par les observations, ni par les simulations numériques. La matière noire froide (CDM pour cold dark matter) devient le modèle privilégié, le modèle standard. Les particules de matière noire candidates sont supposées n’interagir entre elles que par l’interaction faible, et sont alors nommées les WIMPs (pour weakly interactive massive particles).

8Le phénomène de lentilles gravitationnelles fortes, produisant des arcs dans les amas de galaxies, a été découvert vers la fin des années 1980. Ces observations permettent de tracer la matière noire. La technique des lentilles faibles, détectant de façon statistique les déformations de milliers de galaxies de fond, produit de vraies cartes de matière totale. Aujourd’hui, de nombreuses pistes sont explorées pour résoudre le problème de la matière noire, qui s’aggrave avec le problème de l’énergie noire (70 % du contenu de l’Univers). Certaines pistes consistent à modifier la loi de la gravité.

– L’intégralité de la leçon inaugurale est consultable sur le site www.college-de-france.fr, à la page du Professeur.

– Leçon inaugurale parue le 15 juin aux éditions Fayard.

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Table des illustrations

Légende L'amas Abell 370 où le premier arc a été découvert par Soucail et al. (1987)
URL http://lettre-cdf.revues.org/docannexe/image/2067/img-1.png
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Pour citer cet article

Référence électronique

Françoise Combes, « La matière noire dans l’univers », La lettre du Collège de France [En ligne], 40 | août 2015, mis en ligne le 01 septembre 2015, consulté le 17 octobre 2017. URL : http://lettre-cdf.revues.org/2067

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Auteur

Françoise Combes

Galaxies et cosmologie

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Droits d’auteur

© Collège de France

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