Un nouvel épisode dans la saga de la matière noirematière noire vient d'être publié dans Science par une équipe internationale d'astronomesastronomes ayant utilisé les observations du télescope HubbleHubble en combinaison avec celles du Very Large TelescopeVery Large Telescope (VLT). L'article, dont on peut trouver une version en accès libre sur ArXiv, arrive peu de temps après l'annonce de la détection d'un intrigant signal par Xenon 1T, qui pourrait être la première détection directe sur Terre des particules de matière noire. Dans le cas présent, il s'agirait non pas vraiment d'un nouvel indice de son existence mais d'une nouvelle contrainte sur les propriétés des particules de matière noire... si elles existent.

En effet, récemment, la théorie Mond, l'alternative au modèle standard de la cosmologiemodèle standard de la cosmologie basé sur la matière et l'énergie noire, et que l'on doit notamment au pionnier qu'a été le prix Nobel de physique James Peebles, a marqué des points. Une variante relativiste de la théorie d’Einstein de la gravitation a été trouvée qui, pour la première fois, permet de se passer de la matière noire pour faire naître les galaxies et expliquer certaines caractéristiques maintenant bien mesurées du rayonnement fossile, la plus vieille lumièrelumière du cosmoscosmos observable étudiée en particulier par la mission Planck.

Toujours est-il qu'aujourd'hui, c'est bien la théorie de la relativité généralerelativité générale d'EinsteinEinstein qui a fourni une nouvelle pièce au débat via le phénomène de lentille gravitationnellelentille gravitationnelle, comme elle l'avait déjà fait avec Hubble (Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous).

Rappelons que la théorie d'Einstein, avec un espace-tempsespace-temps courbé par une distribution de matière et d'énergie-impulsion, prédit une déviation de la trajectoire des rayons lumineux par les corps célestes. Ils se comportent alors comme une sorte de loupe grossissante et déformante, et ce, d'autant plus que la quantité de matière présente est importante, que cette matière soit visible ou non. De fait, c'est en examinant les effets de lentilles associés à des galaxies et des amas de galaxiesamas de galaxies, que l'on montre bien souvent, qu'il semble exister une quantité de matière bien plus importante associée à ces objets que n'en laissent deviner la détection des étoilesétoiles et la mesure des vitessesvitesses des distributions d'hydrogènehydrogène ou de plasma contenues dans ces objets.

Une cartographie de la matière noire des amas à petite échelle

Les observations qui intriguent aujourd'hui les astrophysiciensastrophysiciens, les cosmologistes et sans aucun doute aussi les physiciensphysiciens des hautes énergies ont été obtenues avec Hubble et le VLT étudiant justement trois amas de galaxies exhibant des effets de lentilles gravitationnelles MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403, et Abell S1063. Les images des galaxies, dont certaines ont été obtenues dans le cadre de la campagne d'observations avec Hubble, nommée Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (Clash), sont à la fois grossies et déformées par les autres galaxies dans les amas, comme si l'on était en présence de grandes lentilles faites d'associations chaotiques de diverses petites lentilles gravitationnelles.

Comme souvent, il en résultait la présence d'images allongées, parfois jusqu'à se présenter sous forme d'arcs. Mais dans le cas présent, les chercheurs ont eu la surprise de détecter de nombreuses petites sous-structures en forme d'arcs au centre des amas, là où se trouvent les galaxies les plus massives. Il y avait donc des sortes de grumeaux de matière noire dans les amas, des concentrations plus denses de ses particules. Non seulement elles avaient échappé jusqu'ici aux observations mais elles n'avaient pas montrer non plus le bout de leur neznez dans les simulations numériquessimulations numériques de plus en plus savantes et puissantes, conduites pour reproduire la genèse et l'évolution des galaxies et des grandes structures regroupant des amas de galaxies depuis leur naissance après le Big BangBig Bang jusqu'à aujourd'hui.

Des observations plus raffinées ont ensuite permis de mesurer la vitesse d'étoiles associées aux galaxies massives dans les amas étudiés et ont confirmé la présence à petite échelle d'importantes quantités de matière noire, jusqu'à 10 fois la valeur attendue, avec ces galaxies. Il y a un désaccord clair avec les simulations numériques actuelles en cosmologie. C'est une situation qui avait déjà été rencontrée mais en sens inverse. Les simulations avec matière noire tendent à prédire beaucoup de petites galaxies nainesgalaxies naines en contenant autour de grandes galaxies comme la Voie lactéeVoie lactée et Andromède, galaxies que l'on peine toujours à détecter et on ne sait pas bien s'il faut modifier nos idées sur la matière noire ou comment prendre en compte ses interactions avec le comportement de la matière ordinaire pour rétablir un accord.

Ce résultat étonnant est commenté en ces termes par Massimo Meneghetti de l'INAF-Observatoire d'astrophysiqueastrophysique et des sciences spatiales de Bologne en Italie, l'auteur principal de l'article : « Nous avons fait de nombreuses vérifications concernant les données de cette étude, et nous sommes convaincus que cette inadéquation indique que certains ingrédients physiquesphysiques sont absents des simulations ou de notre compréhension de la nature de la matière noire ». C'est ce que confirment aussi les commentaires d'une des théoriciens associés à cette découverte, l'astrophysicienne Priyamvada Natarajan de l'université de Yale dans le Connecticut : « Cela pourrait signaler une lacune dans notre compréhension actuelle de la nature de la matière noire et de ses propriétés, car ces données exquises nous ont permis de sonder la distribution détaillée de la matière noire sur les plus petites échelles ».

Peut-être finira-t-on par découvrir que la matière noire est « floue » ou qu'elle se comporte aussi d'une façon qui laisse penser que la théorie Mond est correcte, une possibilité déjà envisagée par les théoriciens comme l'astrophysicien Justin Khoury.

Matière noire : Hubble apporte de nouveaux éléments en faveur de son existence

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 13/01/2020

Le modèle cosmologique standard prédisait l'existence de petits grumeaux de matière noire qui avaient jusqu'ici échappé aux observations. Hubble vient de faire leur découverte en mobilisant l'effet de lentille gravitationnelle. Le scénario avec matière noire froide en sort renforcé et celui avec matière noire tiède affaibli.

On va fêter dans quelques mois les 30 ans de la mise en orbiteorbite du télescope spatial Hubble. Sa capacité à nous surprendre et à faire des découvertes ne semble pas avoir pris une ride si l'on en croit la déclaration de l'astronome Tommaso Treu de l'Université de Californie à Los Angeles (Ucla) qui a utilisé ce vénérable instrument avec ses collègues : « Nous avons fait subir un test d'observation très convaincant au modèle de la matière noire froide et il le passe avec brio ! ». Voilà de quoi redonner courage aux physiciens qui traquent sans succès depuis quelques décennies, avec des accélérateurs comme le LHCLHC ou des détecteurs comme AMS, les particules exotiquesexotiques qui doivent composer la matière noire (dark matter, en anglais). Ce résultat doit certainement intéresser le prix Nobel de physique James Peebles puisqu'il est un des principaux pionniers du modèle cosmologique standard avec matière et énergie noires.

Comme Tommaso Treu l'explique avec ses collègues états-uniens dans un article en accès libre sur arXiv, ils ont pour cela utilisé l'effet de lentille gravitationnelle de la théorie de la relativité générale d'Einstein que Hubble a observé, associé à plusieurs galaxies situées à environ deux milliards d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactée. Non seulement il en a résulté une confirmation supplémentaire du modèle de la matière noire froide (cold dark matter, en anglais), mais une de ses alternatives fréquemment proposée, le modèle de la matière noire tiède (warm dark matter, en anglais) en sort défavorisé. Les astrophysiciens auraient en effet découvert des petits grumeaux de matière noire prédits depuis longtemps qui auraient échappé aux observations parce qu'ils ne contiendraient finalement pas autant d'étoiles qu'on ne le pensait.

Les massesmasses associées aux galaxies dans la découverte, aujourd'hui exposée, déviaient des rayons lumineux produits par des quasarsquasars en arrière-plan et situés eux à 10 milliards d'années-lumière de notre Galaxie comme le montre le schéma ci-dessous. Il en résulte un effet de loupe grossissant, d'autant plus grand que ces masses sont importantes ainsi qu'une démultiplication des images des quasars, ces galaxies extrêmement lumineuses en raison des quantités de matières très importantes qui s'échauffent en tombant sur les trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs en leur cœur. On peut donc de cette manière non seulement former des images d'astresastres trop lointains pour des observations directes avec des télescopes mais aussi mettre en évidence la présence de masses qui sont très peu lumineuses, voire pas du tout (les particules de matière noire ne doivent pas pouvoir émettre de lumière ou presque pas car n'étant pas chargées ou si peu), et qui se signalent par leur champ de gravitationgravitation via l’effet de lentille gravitationnelle théorisé par Einstein en 1936.

Ce graphique illustre comment la lumière d'un quasar lointain est altérée par une galaxie massive au premier plan et par de minuscules amas de matière noire le long des chemins empruntés par les rayons lumineux. La puissante gravité de la galaxie dévie ces rayons de lumière issus du quasar, en produisant quatre images déformées. Les amas de matière noire résident le long de la ligne de visée du télescope spatial Hubble jusqu'au quasar, ainsi qu'à l'intérieur et autour de la galaxie au premier plan. La présence des amas de matière noire modifie la luminosité et la position apparentes de chaque image déformée du quasar. Les astronomes ont comparé ces mesures avec des prédictions sur l'apparence des images du quasar sans l'influence des amas de matière noire. Les chercheurs peuvent ensuite utiliser ces même mesures pour calculer les masses et les tailles des minuscules concentrations de matière noire. Les images quadruples d'un quasar sont rares car elles nécessitent un alignement presque parfait du quasar d'arrière-plan avec la galaxie de premier plan. © Nasa, ESA and D. Player (STScI)

Des particules qui contrôlent les plus grandes structures du cosmos

Pour mieux comprendre pourquoi les observations actuelles de Hubble soutiennent le modèle de la matière noire froide, il faut se souvenir tout d'abord que nous ne savons toujours pas comment faire naître les galaxies ni expliquer les caractéristiques du rayonnement fossile sans postuler l'existence de nouvelles particules jamais encore identifiées dans les rayons cosmiquesrayons cosmiques ou dans les collisions produites avec des accélérateurs de particules. Cette matière est en quantité plus importante que la matière baryonique normale constituée d'hydrogène et d'héliumhélium pour l'essentiel. Nous le savons car si les masses non lumineuses qui maintiennent les galaxies dans les amas liées les unes aux autres (ainsi que des plasmas chauds dans ces amas) étaient sous forme de ces éléments chimiqueséléments chimiques bien connus sur Terre, les calculs de la nucléosynthèsenucléosynthèse du Big Bang donnant les abondances de ces noyaux dans le cosmos observable ne colleraient pas avec les mesures.

Il faut savoir aussi que les simulations numériques qui font naître les galaxies, les amas de galaxies et les grandes structures qui les rassemblent, montrent que la genèse de ces objets est étroitement liée aux masses, aux vitesses et à d'autres caractéristiques des particules de matière noire. Paradoxalement, l'étude des plus grandes structures de l'UniversUnivers observable donnent des renseignements sur la physique des particules élémentairesphysique des particules élémentaires et inversement.

Des particules lourdes et lentes, donc formant un gazgaz froid puisque la température d'un gaz dépend de la vitesse moyenne des particules qui le composent, vont former d'abord par effondrementeffondrement gravitationnel des petites structures rassemblant des étoiles, puis des galaxies et enfin des amas de galaxies qui vont se rassembler en filaments et feuillets entourant des bulles presque vides.

Des particules légères et rapides donc formant un gaz chaud (d'où le nom de hot dark matter pour matière noire chaude en anglais) vont d'abord former des grandes structures en effondrement gravitationnel avec des étoiles. Les galaxies apparaissent plus tard. La genèse se fait donc, en quelque sorte, en sens inverse de celle avec des particules de matière noire froide.

Les observations favorisaient dans les grandes lignes le modèle de la matière noire froide mais celui-ci avait des problèmes. Il prédit notamment beaucoup de petites structures contenant cette matière noire que l'on s'attendait à trouver associées à des galaxies naines.

Or, le compte n'y est pas lorsque l'on cherche à dénombrer celles autour de la Voie lactée et de la galaxie d'Andromèdegalaxie d'Andromède en particulier.

Chacun de ces instantanés du télescope spatial Hubble révèle quatre images déformées d'un quasar d'arrière-plan et de sa galaxie hôte entourant le noyau central d'une galaxie massive de premier plan. La gravité de la galaxie massive de premier plan agit comme une loupe en déformant la lumière du quasar dans un effet appelé lentille gravitationnelle. Les images ont été prises entre 2015 et 2018. © Nasa, ESA, A. Nierenberg (JPL) et T. Treu (Ucla)

Une preuve solide de l'existence de petits amas de matière noire froide

Plusieurs solutions ont été proposées (exemple la matière noire floue), en particulier ajouter un peu de matière noire chaude à la matière noire froide pour limiter la formation des galaxies naines et les petits grumeaux de matière noire tout en conservant les grand halos de matière noire des galaxies et des amas de galaxies. C'est le scénario de la matière noire tiède.

Autre solution plus radicale, abandonner les scénarios avec matière noire au profit de modifications des lois de la dynamique newtonienne dans le cadre de la théorie Mond.

En observant via un effet de lentille gravitationnelle les images déformées de huit quasars, Hubble a également fourni des détails fins de ces images qui sont influencés par les concentrations de matière noire rencontrées lors du voyage des rayons lumineux de ces quasars vers le miroirmiroir de Hubble.

Les astrophysiciens ont ensuite montré que ces détails fins trahissaient la présence de petites concentrations de matière noire (les concentrations détectées par Hubble sont de 1/10.000^e à 1/100.000^e fois la masse du halo de matière noire de la Voie lactée) en accord avec le modèle de la matière noire froide mais qui ne seraient probablement généralement pas associées à des galaxies naines.

Les prédictions basiques du modèle cosmologique standard seraient donc bien en accord avec les observations, il y aurait juste à mieux comprendre pourquoi il y a moins de galaxies naines que prévu. Mais l'explication se cache peut-être, simplement, dans une meilleure compréhension des interactions entre l'évolution des concentrations de matière noire et celles de matière baryonique normale (quid du souffle des supernovaesupernovae par exemple qui peuvent expulser le gaz d'une galaxie et inhiber la formation de nouvelles étoiles pour cette raison).

Anna Nierenberg du Jet Propulsion LaboratoryJet Propulsion Laboratory de la NasaNasa à Pasadena, en Californie, l'astronome qui a dirigé l'étude aujourd'hui publiée, résume sa conclusion en ces termes : « La matière noire est plus froide que nous ne le pensions à plus petite échelle. Les astronomes ont déjà effectué d'autres tests observationnels des théories de la matière noire, mais la nôtre fournit les preuves les plus solidessolides à ce jour de la présence de petits amas de matière noire froide. En combinant les dernières prédictions théoriques, des outils statistiques et les nouvelles observations de Hubble, nous avons maintenant un résultat beaucoup plus robuste que ce qui était possible auparavant. »

Hubble fournit de nouvelles cartes 3D de la matière noire de l'univers

Article de Laurent Sacco publié le 28/12/2018

Les astrophysiciens dressent des cartes de la répartition de la matière noire depuis plus d'une décennie pour tenter d'en percer les secrets. Une nouvelle méthode s'est révélée prometteuse avec des amas de galaxies observés par Hubble.

Il y a plus de 10 ans, plusieurs preuves de l'existence de la matière noire ont rapidement émergé, sans pour autant clore définitivement le débat à son sujet. En particulier, pendant l'été 2006, on se souvient de l'annonce tonitruante concernant les observations, dans le domaine des rayons Xrayons X et à l'aide de l'effet de lentille gravitationnelle, de la collision d'amas galactiques derrière ce qui semblait être un seul objet, l'amas de la Balle (Bullet cluster en anglais), aussi appelé 1E 0657-56 et qui se trouve dans la constellationconstellation australe de la Carène.

Initialement, ces observations semblaient réfuter définitivement la théorie Mond, déjà utilisée pour rendre compte des mouvementsmouvements anormaux des étoiles dans les galaxies. Plutôt que de postuler l'existence de nouvelles particules sans couplage au champ électromagnétiquechamp électromagnétique et donc, nécessairement incapable de rayonner, certains chercheurs préféraient en effet modifier les lois de NewtonNewton de la mécanique céleste à l'échelle des mouvements des étoiles dans les galaxies d'abord, avec les amas galactiques ensuite.

S'il reste impossible de se passer de l'hypothèse de l'existence des particules de matière noire pour faire naître les galaxies et rendre compte des observations concernant le rayonnement fossile faites par Planck, cela n'est, en revanche, pas impossible en ce qui concerne les caractéristiques des amas de galaxies. Mieux : au cours de la dernière décennie, la théorie Mond a très bien rendu compte des mesures faites concernant les étoiles dans les galaxies et, en particulier, celles concernant les galaxies naines en orbite autour des grandes galaxies que sont la Voie lactée et Andromède.

La lumière diffuse intra-amas trace indirectement la matière noire

Une nouvelle technique d'observation et une nouvelle pièce au débat entre tenants de l'existence de la matière noire et partisans de la théorie Mond viennent d'être apportées par les astrophysiciens Mireia Montes, de l'université de New South Wales à Sydney, en Australie, et Ignacio Trujillo de l'Institut d'astronomie des îles Canaries à Tenerife, en Espagne.

Publiés dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et disponibles en accès libre sur arXiv, leurs travaux montrent que certaines informations sur la répartition de la matière noire entre les galaxies dans un amas peuvent être acquises en étudiant le rayonnement X et l'effet de lentille gravitationnelle, lesquels sont sensibles à la répartition des masses de matière, noire ou ordinaire, via le champ de gravitation qu'elles génèrent. Les deux chercheurs viennent de montrer que la répartition de la matière pouvait être aussi cartographiée, en particulier la matière noire dans au moins six amas de galaxie, ceci en étudiant la lumière diffuse intra-amas (intracluster light ou ICL en anglais).

L'ILC n'a rien de mystérieux, il s'agit de la lumière produite par les étoiles, lorsqu'elles ont été arrachées de leurs galaxies hôtes par les forces de maréeforces de marée au cours d'interactions. Tout comme les étoiles sondent le champ de gravitation dans la Voie lactée, ces étoiles se répartissent en fonction de celui-ci dans un amas et vont donc se concentrer là où il y a plus de matière noire.

Montes et Trujillo ont constaté que la répartition de la matière noire, supposée d'après les observations du télescope Hubble, était en accord avec celle déduite des rayons X et surtout, de l'effet de lentille gravitationnelle. Sauf qu'il est bien plus facile et rapide d'utiliser les observations en imagerie dans l'infrarougeinfrarouge proche avec Hubble que celles qui demandent de faire de la spectroscopie, aussi bien avec les rayons X que dans la détermination de l'effet de lentille gravitationnelle. En outre, on peut atteindre une précision supérieure dans la détermination de la carte de la répartition de la matière noire.

La méthode est prometteuse, non seulement parce qu'elle permet d'aller plus loin en ce qui concerne les amas de galaxies mais aussi, parce que l'on peut, en théorie, l'utiliser avec les étoiles qui se trouvent dans le halo des galaxies individuelles. Cela reste à vérifier mais il devrait être possible de sonder la distribution de matière noire, avec une résolutionrésolution supérieure. 

Ce qui est certain est que l'arrivée prochaine du télescope James Webb devrait permettre de cartographier la répartition de la matière noire dans des amas de galaxies encore plus lointains et donc, de voir ce qu'il s'y passait tôt dans l'histoire de l'Univers observable. Cette répartition devrait évoluer avec le temps et en accord avec les modèles de matière noire utilisés. Espérons tout de même que d'ici là, une détection directe des particules de matière noire aura été réalisée sur Terre avec des détecteurs en laboratoire.

En vidéo : première carte 3D de la matière noire de l'Univers !

Article de Laurent Sacco publié le 08/01/2007

La distribution de la matière noire en 3D à l'échelle des amas de galaxies vient d'être cartographiée par une équipe internationale d'astronomes, un exploit accompli une fois de plus grâce au télescope Hubble !

Rappelons que la matière noire est une forme exotique et invisible de matière invoquée pour expliquer le comportement des galaxies et des amas de galaxies. Près de 5 fois plus abondante que la matière 'normale', elle jouerait aussi un rôle fondamental dans l'apparition des galaxies, la formation et l'évolution des structures à grandes échelles formées de ces dernières.

Une preuve indirecte, extrêmement convaincante de son existence, a d'ailleurs été fournie il y a quelque mois, suite à l'étude d'un amas de galaxies en rayons X par le cousin de Hubble, Chandra.

Selon la théorie de l'évolutionthéorie de l'évolution des galaxies, la matière noire s'est effondrée gravitationnellement la première, servant de germegerme à la formation des galaxies qui, à leur tour, se rassemblent au cours du temps pour former des amas localisés dans un réseau de filaments interconnectés. Les zones de matière noire créent, alors, une sorte de puits gravitationnel dans lequel la matière normale tombe par attraction au cours du temps.

On comprend donc qu'avoir une carte en 3D de la matière noire à grande échelle est un moyen essentiel pour tester la théorie. N'oublions pas aussi que regarder loin dans l'Univers, c'est regarder tôt à cause de la vitesse finie de propagation de la lumière. C'est pourquoi cette carte permet de tester l'évolution de la répartition dans le temps de la matière, et pas seulement dans l'espace.

Comment s'y prendre alors puisque, par définition, cette matière ne rayonne pas ?

Les astrophysiciens et les astronomes sont habitués à relever de tels challenges, ils savent qu'ils ont un outil formidable pour percer les secrets de l'Univers à grande échelle : la théorie de la relativité générale d'Einstein !

La masse courbe la trajectoire des rayons lumineux. En utilisant cet effet, on peut remonter à la distribution de matière s'intercalant entre la source de ces rayons et l'observateur. Quand on regarde la forme des galaxies à grande distance, on s'aperçoit que leur image est légèrement déformée à cause de ce phénomène. C'est en utilisant essentiellement cette technique, dite de lentille gravitationnelle faible, pour près d'un demi-million de galaxies à grandes distances, que l'on a pu aboutir au résultat aujourd'hui publié dans «Nature».

On le doit à une équipe d'astronomes du Caltech, de l'Observatoire de Marseille et d'autres institutions dans le monde. En plus de l'effet de lentille, il a fallu utiliser des données en rayons X.

Les mesures montrent un accord très satisfaisant avec les prédictions de la théorie de la formation des grandes structures, il reste juste à détecter directement cette matière noire en laboratoire !

Ce pourrait être ce qu'on appelle des WIMPSWIMPS ou des axions. Le candidat le plus probable actuellement, et qui pourrait être détecté au LHC, est une particule issue des théories de supersymétriesupersymétrie, le neutralinoneutralino.

© NASA, ESA and R. Masseya