L énigme de la matière noire. Alain Bouquet

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1 L énigme de la matière noire Alain Bouquet

2 L âge d or d de la cosmologie Les données viennent de sources de plus en plus variées XMM Elles sont de plus en plus précises Elles confirment la théorie du big bang Dans les grandes lignes Dans les détails Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 2/51

3 Triangle cosmique Chaque observation cosmologique mesure une certaine combinaison des paramètres Rayonnement cosmologique Ω m : Energie de la matière Ωk : Courbure de l espace Courbure nulle Energie noire 70% Matière 30% Amas et galaxies Supernovae Ω Λ : Energie noire ou constante cosmologique Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 3/51

4 Mais la composition est inattendue Matière noire 25% Gaz chaud 4% Energie noire 70% Etoiles & planètes 0.5% Neutrinos 0,5% Lumière 0,05% Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 4/51

5 95% d inconnu, d est-ce raisonnable? Oui! Non! Rien n interdit que la matière connue soit minoritaire la Terre n est pas un lieu privilégié dans l univers ni le Soleil ni la Voie lactée Les autres prédictions de la théorie du big bang se sont vérifiées Aucune indication directe ni de la matière noire ni de l énergie noire Toujours via des effets gravitationnels sur la matière visible Comprenons-nous réellement si bien la gravitation? Pourquoi pas celle-ci? Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 5/51

6 Jacques Colin (OCA) Les échelles dans l universl Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 6/51

7 Jacques Colin (OCA) Plus l échelle est grande, plus la matière noire est dominante La masse de matière noire est 50 fois plus importante que celle de toutes les étoiles La matière noire dans l universl Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 7/51

8 Energie noire et matière noire Energie noire Matière noire 70% du bilan énergétique 25% du bilan énergétique répartie de façon extrêmement uniforme dans l univers répartie à peu près comme les étoiles, mais en plus diffus propriétés opposées à celles de la matière ordinaire (répulsion gravitationnelle) ressemble beaucoup à la constante cosmologique d Einstein propriétés analogues à la matière ordinaire, quoique elle interagisse moins longue liste de candidats rejetés liste encore plus longue de candidats imaginés Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 8/51

9 La matière noire Zwicky annonce en 1933 que la masse totale de l amas de galaxies de Coma est 100 à 500 fois supérieure à la somme des masses des galaxies Zwicky est connu pour son caractère épouvantable ses idées farfelues comme l existence de supernovae l existence d étoiles à neutrons Il est donc normal que presque personne ne s y intéresse pendant près de 50 ans Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 9/51

10 Un peu d histoired Les premières réactions furent mitigées : Les courbes de rotation de galaxies sont de plus en plus nombreuses, de plus en plus détaillées La dynamique des amas de galaxies se précise, et elle est confirmée par l observation d un intense rayonnement X, puis par la découverte de distorsions gravitationnelles de la lumière (arcs) La situation se modifie vers 1970 Théorie du big bang acceptée Détecteurs électroniques Satellites d observation X et radio La cosmologie du big bang se confirme, le mécanisme de formation des galaxies par instabilité gravitationnelle est mis au point, mais les observations du rayonnement cosmologique ne le permettent que s il y a 10 à 50 fois plus de matière noire que de matière lumineuse Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 10/51

11 Tournez manège La vitesse de rotation dépend de la masse qui attire, et de la distance de cette masse Distance 150 M km Vitesse 30 km/s Masse = Distance x (Vitesse) 2 /G = 1M sol Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 11/51

12 Les étoiles d une d galaxie Rotation autour du centre Distance a.l. Vitesse 200 km/s Masse = Distance x (Vitesse) 2 /G = 100 milliards M sol Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 12/51

13 Courbes de rotation Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 13/51

14 Un noyau dans un cocon En fait, une galaxie, ce n est pas cela : C est cela : Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 14/51

15 Quelle est la nature de la matière noire? De la matière «normale» mais obscure? poussières? planètes, astéroïdes? étoiles noires, brunes, blanches? trous noirs stellaires? trous noirs géants? Machos Neutrinos? Un nouveau type de particule élémentaire stable? très légère et très abondante? très lourde et très rare? Axions Mauviettes (wimps) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 15/51

16 Conspiration Disque dominant (étoiles, matière «ordinaire») Halo dominant (matière «noire») Identité de nature? MACHOS?? Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 16/51

17 Les machos Comment détecter un objet qui n est pas lumineux? Via un effet gravitationnel! 1986 : Bohdan Paczynski montre que le passage d un MACHO devant une étoile en amplifie passagèrement la luminosité Si le halo est plein de MACHOS, à chaque instant une étoile sur 10 millions est amplifiée de 10% (ce qui est détectable) Bohdan Paczynski n est pas un MACHO! Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 17/51

18 Une masse dévie la lumière Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 18/51

19 Le Grand Nuage de Magellan Galaxie irrégulière satellite de la Voie lactée Il suffit de : prendre une image chaque nuit mesurer la luminosité de chacune des 10 millions d étoiles résolues comparer avec la luminosité de la veille, et des jours précédents repérer les variations ne pas confondre avec une étoile intrinsèquement variable Les collaborations MACHO et EROS ont patiemment fait cela de 1992 à 2002 Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 19/51

20 Echec! De nombreux effets d amplification gravitationnelle observés, mais aucun attribuable à un MACHO Moins de 15% du halo de la Voie lactée est formé de MACHOS La voie est libre pour les MAUVIETTES Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 20/51

21 Les mauviettes Revenons donc à la possibilité d une nouvelle particule Certes mais laquelle? Les théoriciens ne manquent pas d imagination Les expérimentateurs non plus d ailleurs, mais pour le moment sans succès Une sorte de neutrino lourd ferait bien l affaire : un neutralino Ce serait un WIMP (weakly interacting massive particle) mais wimp = mauviette Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 21/51

22 Une «mauviette» venue du halo cogne un noyau dans un cristal Le choc est détecté Recherches directes Difficulté: rayons cosmiques et radioactivité font pareil Donc on s enterre On blinde le détecteur On le refroidit vers -270 C On élimine les parasites On attend patiemment Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 22/51

23 Pour le moment, l attente l continue Ceux-ci ont annoncé une détection, mais personne n y croit car des expériences plus sensibles n observent rien Zone attendue par les théoriciens Leszek Roszkowski Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 23/51

24 Recherches indirectes Dans bien des modèles, une mauviette et une anti-mauviette, c est pareil Si le halo est plein de mauviettes, elles doivent donc s annihiler fréquemment Le résultat de ces annihilations pourrait être une paire de rayons gamma, «facile» à détecter du sol ou de l espace (Integral, Glast plus tard ) Deux des quatre télescopes à rayons gamma de HESS, en Namibie Ou des neutrinos, plus difficiles à détecter, mais des expériences sont en cours, au fond de la Méditerranée (Antarès) ou dans les glaces du pole Sud (Amanda) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 24/51

25 Modifier la dynamique de Newton? Désaccord entre : - quantité de matière lumineuse - quantité calculée en appliquant les lois de Newton aux mouvements de la matière lumineuse Rien ne garantit que les lois de Newton soient correctes en dehors du domaine où elles sont bien vérifiées, le Système solaire En 1983, Mordehai Milgrom (Institut Weizmann) propose une légère modification de la relation F = m a (entre force et accélération) F = ma 2 /a 0 quand a < a 0 (et bien entendu F = ma quand a > a 0 ) Cela «marche» admirablement bien Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 25/51

26 Modifier Newton (MOND) Mordehai Milgrom Inconvénients : modèle ad hoc, et qui ne fonctionne pas au-delà des galaxies (controversé) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 26/51

27 Une idée souvent avancée Plus difficile à quantifier Encore plus à soumettre à l expérience! Univers parallèles? Pour unifier gravitation et interactions électromagnétique et nucléaires, la théorie des cordes exige un espace à plus de trois dimensions Il est possible que la matière et la lumière soient confinées dans trois dimensions (une brane), alors que la gravitation pourrait «sentir» les autres dimensions, et donc la matière s y trouvant Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 27/51

28 Méditons sur les mystères de l universl Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 28/51

29 Les amas de galaxies Amas de galaxies de Coma ~2000 galaxies formant un essaim tournoyant à 300 km/s dans un rayon de qq M a.l. à 150 M a.l. de nous Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 29/51

30 Un homme très dynamique Zwicky mesure les vitesses de quelques galaxies de Coma Energie cinétique ~ Masse x (Vitesse) 2 Ainsi que leurs distances mutuelles Energie potentielle ~ (Masse) 2 /Distance Equilibre dynamique En. potentielle ~ En. Cinétique Donc Masse ~ Distance x (Vitesse) 2 Il trouve ainsi 100 à 500 fois plus de masse que son estimation de la masse totale des galaxies de l amas Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 30/51

31 La dynamique des amas Pendant 50 ans, Zwicky n est pas pris au sérieux La conclusion majoritaire est alors que, si les galaxies vont aussi vite, les amas sont des rassemblements éphémères Il pourrait d ailleurs s agir des «nurseries» de galaxies, imaginées dans la théorie de l Etat stationnaire, alors rivale de celle du Big bang Et de nouvelles mesures des distances ramènent le désaccord à un facteur 20 à 100 Mais le désaccord persiste! Dans les années 1980, deux indications indépendantes le confirment l intense émission de rayons X par les amas la déviation des rayons lumineux par les amas (arcs et arclets) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 31/51

32 Les amas aux rayons X DSS Chandra Amas Abell 2029 en optique : les galaxies Amas Abell 2029 en rayons X : le gaz chaud Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 32/51

33 Bien plus de gaz que d éd étoiles Masse Centre d une galaxie Galaxie (visible) Distance entre deux galaxies Masse totale Gaz chaud Taille d un amas Etoiles Taille 1 kpc et bien plus de matière noire que de gaz Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 33/51

34 Lentilles gravitationnelles Amas de galaxies Abell 1689 (HST) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 34/51

35 Lentilles gravitationnelles Jacques Colin (OCA) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 35/51

36 Reconstruction de la lentille Yannick Mellier (IAP) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 36/51

37 Distorsion gravitationnelle L espace est plein de galaxies de toutes tailles, formes et orientations Yannick Mellier (IAP) La masse d un amas en avant-plan déforme les images des galaxies d arrière-plan Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 37/51

38 Cisaillement gravitationnel L analyse statistique de la forme des galaxies permet de reconstituer une carte en 3 dimensions de la matière noire Stéphane Colombi (IAP) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 38/51

39 Cisaillement gravitationnel L analyse statistique de la forme et de l orientation des galaxies permet de reconstituer la carte sous-jacente de la matière noire Alexangre Refregier (CEA) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 39/51

40 Méditons sur les mystères de l universl Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 40/51

41 La relativité générale est un jeu d enfantd Masse et énergie déforment l espace et le temps Courbure = densité d énergie Courbure = courbure spatiale + courbure temporelle (expansion) Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 41/51

42 Une troisième série d arguments, cosmologiques cette fois, indique la présence de matière noire Cosmologie Courbure spatiale nulle, matière +énergie noire = 100% Formation des galaxies Comptage des galaxies Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 42/51

43 Fond de rayonnement cosmologique Rayonnement de corps noir pratiquement isotrope Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 43/51

44 Fond de rayonnement cosmologique Chaque tache indique une fluctuation de densité de l ordre de quelques cent-millièmes Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 44/51

45 Analyse du fond de rayonnement Des anisotropies, on extrait le spectre de puissance Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 45/51

46 Naissance des structures Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 46/51

47 Formation des galaxies et des étoiles Si l univers est homogène mais pas trop les inhomogénéités vont s accentuer et la matière se concentrer de plus en plus les étoiles et les galaxies peuvent ainsi apparaître peu à peu puis se forment les planètes, la vie Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 47/51

48 Mais il faut de la matière noire Les inhomogénéités ne dépassent pas 1/ au départ La pression de rayonnement empêche la concentration pendant ans Même ensuite, l expansion de l univers freine la concentration de la matière et la rend beaucoup plus difficile Il faut donc 1) plus de matière 2) une matière qui ne soit pas associée à la lumière 3) une matière formée de particules assez lourdes pour ne pas aller trop loin et effacer les structures sitôt amorcées Autrement dit de la matière noire «froide» comme nos «mauviettes»! Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 48/51

49 Simulation avec de la matière noire froide Chaud ou froid? Simulation avec de la matière noire chaude Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 49/51

50 Méditons sur les mystères de l universl La matière noire semble omniprésente à l échelle des galaxies à l échelle des amas de galaxies à l échelle de tout l univers visible Elle suit la distribution de matière lumineuse mais elle est moins concentrée Sa nature demeure inconnue, mais des recherches sont en cours Elle na pas été détectée autrement que par ses effets gravitationnels sur la matière lumineuse Peut-être doit-on réexaminer la loi de la gravitation? Mais c est toute l architecture de la physique qui est alors à revoir! Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 50/51

51 Merci de votre attention Alain Bouquet APC (CNRS & Paris7) L énigme de la matière noire 51/51