La matière noire

Ken Tapping, le 27 mai 2015

Dans le ciel cette semaine…

  • Deux planètes dominent le ciel à l'ouest après le coucher du Soleil : Vénus, la plus basse et la plus brillante, et Jupiter.
  • Saturne rase l'horizon au sud-ouest.
  • La Lune entrera dans son premier quartier le 25.

S'il y a deux éléments qui ont chamboulé notre compréhension de l'univers au cours des dernières années, ce sont sûrement la matière noire et l'énergie sombre. Nous reviendrons sur le sujet de l'énergie sombre dans un prochain bulletin.

Il nous semble aller de soi que les savoirs insolites résultent d'expériences insolites qui fournissent des données dont l'interprétation fait l'objet de débats houleux entre scientifiques avant que les conclusions gagnent l'acceptation générale. La découverte de la matière noire n'a pourtant pas suivi ce modèle. Ce sont en effet des calculs systématiques et reproductibles fondés sur les lois de la physique établies par Newton qui en ont révélé l'existence.

Lorsqu'un objet céleste, comme la Lune, orbite autour d'un autre, comme la Terre, la trajectoire qu'il suit est fonction de la masse du corps autour duquel il se déplace, de la distance entre lui et ce corps et de la vitesse à laquelle il se déplace. En connaissant deux de ces valeurs, on peut mathématiquement trouver la troisième. Cela est clairement démontré par les lois de Newton sur la gravité. Ces lois de la physique élémentaire ont permis de calculer la masse de galaxies éloignées, mais ont donné des résultats ahurissants.

Les étoiles sont également en orbite : elles suivent des trajectoires fixes autour du centre de leurs galaxies. Par exemple, le Soleil et le reste du système solaire se trouvent à environ 30 000 années-lumière (une année-lumière équivaut à la distance que parcourt la lumière en une année – un peu moins de 10 000 000 000 000 km) du centre de notre galaxie, la Voie lactée, et se déplacent autour de ce centre à une vitesse d'environ 230 km par seconde. Comme nous connaissons la distance et la vitesse du Soleil et de ses planètes, nous pouvons calculer la masse de notre galaxie. Nous pouvons aussi calculer la masse d'autres galaxies qui sont suffisamment près de nous pour que nous puissions en distinguer des étoiles séparément, pourvu qu'elles nous apparaissent plus au moins sur la tranche.

Lorsqu'une galaxie éloignée se trouve plus ou moins sur le plan horizontal, les étoiles d'un côté se déplacent vers nous sur leur orbite et celles de l'autre côté, au contraire, s'éloignent. On peut facilement calculer la distance de chaque étoile du centre de la galaxie, tout comme la vitesse à laquelle elle s'approche ou s'éloigne de nous. En utilisant la vitesse et la distance dans les équations de Newton, on peut trouver la masse de la galaxie. Les résultats sont cependant étonnants, car les masses calculées sont beaucoup trop grandes pour le nombre d'étoiles et la quantité de gaz et de poussières visibles.

Lorsqu'un calcul donne un résultat improbable, le premier réflexe est de se demander si l'on a procédé de la bonne façon ou si l'on fait une erreur grossière. Toutefois, lorsque nombre d'autres scientifiques obtiennent des résultats similaires, force est d'admettre que le compte est bon. Comme la masse est une mesure de la quantité de matière constituant un objet, les galaxies doivent donc comporter une quantité de matière beaucoup plus grande que celle qui est visible. On appelle « matière noire » cette matière invisible. Selon les estimations actuelles, 83 % de la matière composant l'univers serait invisible. La Terre et tous les objets que nous révèlent nos télescopes composent les 17 % restants.

Cela signifie donc que l'univers est composé en grande partie de choses que nous ne pouvons voir – d'où les efforts déployés actuellement pour percer le mystère de la matière noire. Ces efforts ont donné naissance à un grand nombre de théories. Selon une d'entre elles, la matière noire serait composée de particules massives interagissant faiblement ou mauviettes. Les mauviettes auraient une masse suffisante pour expliquer les résultats que nous obtenons, mais ils sont difficilement détectables. Même si nos théories admettent l'existence des mauviettes, personne n'acceptera d'emblée l'existence de particules servant de béquille dans des équations tant que la preuve indéniable de leur existence n'aura pas été faite. Puisque ces particules inhabituelles interagissent faiblement avec la matière ordinaire et les champs magnétiques et électriques, il faudra recourir à des outils insolites tels que le grand collisionneur de hadrons pour les trouver.

Ken Tapping est astronome à l'Observatoire de radio-astrophysique du Conseil national de recherches du Canada, à Penticton (C.-B.) V2A 6J9.

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