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    À la recherche de la matière sombre

    Carte du rayonnement fossile captée par le satellite européen Planck en 2012 et qui montre l’Univers tel qu’il était 380 000 ans après le Big Bang.
    Photo: Agence France-Presse (photo) Carte du rayonnement fossile captée par le satellite européen Planck en 2012 et qui montre l’Univers tel qu’il était 380 000 ans après le Big Bang.

    Aussi hallucinant que cela puisse paraître, tout ce que l’on voit dans l’Univers ne représente que 5 % de son contenu. Le reste ne serait que matière sombre et énergie sombre, dont l’existence n’a été déduite que par des observations indirectes. La nature de la matière noire constitue l’un des plus grands mystères de la physique moderne, que les scientifiques espèrent néanmoins résoudre dans les prochaines années.
     

     

    La matière visible, dont nous sommes constitués, est en quantité dérisoire dans l’Univers, lequel est composé avant tout d’énergie sombre, laquelle compte pour 68 % de son contenu, et de matière sombre qui en forme 27 %. On sait bien peu de chose de l’énergie sombre, qu’on appelle aussi énergie noire, si ce n’est qu’elle est de nature répulsive et qu’elle est responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers.

     

    C’est l’astrophysicien Fritz Zwicky qui, en 1933, a suggéré l’existence d’une matière invisible qui n’émet pas de lumière, après avoir observé la vitesse de rotation des galaxies spirales. Il nomme cette mystérieuse matière « dunkel materie », qui veut dire matière sombre. « Compte tenu de leur faible contenu en matière visible qui émet de la lumière, les galaxies spirales tournent à une vitesse telle qu’elles devraient s’effilocher, se disperser sous l’effet de la force centrifuge. On en a donc conclu que ces galaxies renfermaient beaucoup plus de matière que ce que l’on pouvait voir », explique Pauline Gagnon, physicienne à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) en Suisse.

     

    En 1970, l’astronome américaine Vera Rubin a remarqué que la vitesse de rotation de toutes les étoiles des galaxies spirales était uniforme et stable, et ne semblait pas dépendre de leur distance du centre de la galaxie, comme le prévoit la loi de Kepler selon laquelle plus une planète est éloignée du centre du système solaire, par exemple, moins sa vitesse de rotation est grande. « Les étoiles des galaxies spirales se comportaient comme si elles ne tournaient pas autour d’un seul point central mais de plusieurs centres, comme s’il y avait de la matière qui était dispersée partout dans la galaxie spirale. Cette observation a permis à Rubin de calculer de façon plus précise la quantité de matière sombre dans l’Univers », souligne Mme Gagnon, qui était invitée cette semaine à donner une conférence au Coeur des sciences de l’UQAM.

     

    Une autre preuve de l’existence de la matière noire nous est fournie par le rayonnement fossile, ou fond diffus cosmologique, dont on a obtenu la première carte en 1992 à l’aide du satellite Cosmic Background Explorer (COBE), puis dans les années 2000 grâce à la sonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), qui nous en a donné une image beaucoup plus précise. Le rayonnement fossile est en fait une image de l’Univers tel qu’il était 380 000 ans après le Big Bang, au moment où les atomes commençaient à se former et où l’Univers devenait transparent, permettant ainsi à la lumière de se propager librement. Il s’agit de la plus vieille photo de l’Univers dont nous disposons aujourd’hui.

     

    « À partir de cette image, on comprend que, sans matière sombre, il aurait été impossible d’arriver à un Univers tel qu’il est aujourd’hui. Sans elle, cela aurait pris beaucoup plus de temps. La matière sombre a joué un rôle de catalyseur dans la formation des étoiles et des galaxies. Parce qu’elle ne réagit pas à la force électromagnétique, la matière sombre a pu s’agglutiner plus rapidement que la matière visible sous l’effet de la gravité. Et elle a ainsi servi de germe à la formation des galaxies », précise la physicienne québécoise.

     

    Lancé en 2009, le satellite européen Planck nous a transmis en 2012 une carte de 20 à 30 fois plus précise que les précédentes de la structure du fond diffus cosmologique. « Cette image nous montre que déjà il y avait des grumeaux, des accumulations de matière en des points précis de l’Univers. Et en mesurant la taille des grumeaux et les variations de leur température sur cette photo vieille de 13,4 milliards d’années, on arrive à déterminer combien il y a de matière sombre et d’énergie sombre dans l’Univers. C’est donc à partir de ces données qu’on a pu affirmer que l’Univers se compose de 68 % d’énergie sombre et de 27 % de matière sombre. Car l’Univers comprend aujourd’hui la même quantité de matière que 380 000 ans après le Big Bang, celle-ci a seulement pris de l’expansion », fait remarquer la scientifique.

     

    Le télescope Hubble nous a également permis de voir en certains endroits de l’Univers des arcs de lumière qui résultent de concentrations de matière sombre qui, en créant un fort champ gravitationnel, font courber la lumière.

     

    Chasse à la matière noire

     

    Les scientifiques essaient depuis plusieurs années de mettre la main sur la matière sombre. « Puisque la matière ordinaire est composée de grains de matière, comme les quarks et les leptons, on suppose que la matière sombre est, elle aussi, composée de particules fondamentales. On essaie donc de trouver des moyens de capter ces particules de matière sombre », fait savoir Mme Gagnon.

     

    Certaines expériences visent à les piéger. « On espère qu’une particule de matière sombre viendra frapper le noyau d’un atome de notre détecteur, le mouvement de recul du proton engendrerait alors une petite vibration dans l’atome qu’on détectera », explique la physicienne. Une vingtaine d’expériences de ce genre sont en cours actuellement dans le fond de mines ou de tunnels routiers sous de grandes montagnes afin d’isoler le détecteur des rayons cosmiques.

     

    Certaines de ces expériences semblent en avoir détecté et d’autres ont laissé les chercheurs bredouilles. Plusieurs expériences ont tenté de corroborer les résultats positifs et n’ont pas réussi. « Nous pataugeons encore dans le noir, mais nous devrions avoir beaucoup de réponses d’ici trois à cinq ans », commente Mme Gagnon.

     

    Par ailleurs, le spectromètre magnétique Alpha (AMS) à bord de la Station spatiale internationale a fourni au début de 2013 des résultats indiquant avec une précision inégalée la présence d’un excès de positrons - l’antimatière des électrons - dans le flux des rayons cosmiques. Or, selon les théories de la supersymétrie, cet excès de positrons pourrait résulter de l’annihilation de particules de matière sombre : une hypothèse très alléchante, mais qui pourrait être infirmée par le fait qu’on aurait mal estimé les autres sources astronomiques de positrons, comme les pulsars. Les physiciens attendent avec impatience les prochains résultats d’AMS qui devraient être publiés sous peu.

     

    Plusieurs expériences menées au Grand Collisionneur de hadrons (LHC) du CERN visent aussi à découvrir des particules de matière sombre. « On cherche dans toutes les directions », affirme Pauline Gagnon, qui a elle-même participé à une expérience visant à vérifier si les bosons de Higgs se désintégraient en matière sombre. « La recherche de particules supersymétriques est ce qui préoccupe le plus les physiciens et les physiciennes du LHC. La théorie de la supersymétrie qui a été proposée pour résoudre des problèmes spécifiques du modèle standard prévoit l’existence de nombreuses nouvelles particules et certaines seraient des candidates idéales pour être des particules de matière sombre », explique la chercheuse, tout en soulignant que 20 % des chercheurs du CERN sont des femmes.

     

    On cherche notamment des particules massives à interaction faible (WIMP), surnommées mauviettes, qui interagissent par le truchement de la force nucléaire électrofaible. Mais dans un article publié dans le dernier numéro de Science, on rappelle que des décennies de recherche n’ont pas fourni de preuves de l’existence des WIMP. C’est pourquoi certains laboratoires se tournent maintenant vers les axions, des particules hypothétiques qui auraient des propriétés complètement différentes des WIMP et qui sont prédites par des modèles tout à fait distincts.

     

    Le LHC est actuellement en phase de consolidation afin d’atteindre de plus hautes énergies en 2015, « ce qui permettra probablement de produire des particules plus lourdes et aussi une plus grande quantité de particules. On augmentera ainsi nos chances de trouver des particules de matière sombre de deux façons », souligne la physicienne.

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    Le blogue de la physicienne Pauline Gagnon.

    Carte du rayonnement fossile captée par le satellite européen Planck en 2012 et qui montre l’Univers tel qu’il était 380 000 ans après le Big Bang. Distribution de la matière sombre, des galaxies et des gaz chauds au cœur de l’amas de galaxies Abell 520 qui s’est formée à la suite d’une collision violente entre des amas de galaxies massives. Cette image a été prise par le télescope Hubble et le télescope Canada-France-Hawaï à Hawaï. On a ensuite superposé à cette image les cartes montrant la concentration d’étoiles lumineuses, de gaz chauds et de matière sombre dans l’amas. La physicienne Pauline Gagnon, du CERN.
     
     
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