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Mise à jour 18 Juin 2018

CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
 « LA MATIÈRE NOIRE, LE CÔTÉ SOMBRE DE L’UNIVERS »

Par Françoise COMBES

Académicienne, Astronome Observatoire de Paris, Collège de France

À TelecomParisTech 46 rue Barrault Paris 13.

Le Vendredi 15 Juin 2018 à 19H00  Amphi Thévenin

 

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.

LA conférencière a eu la gentillesse de nous donner sa présentation , elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme : Mat noire Combes SAF 2018.pdf, qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2017-2018.

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

 

Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet

On la trouve à cette adresse   disponible dans qq jours

 

Je n’ai pas pris beaucoup de notes étant donné que j’ai fait des photos aussi mon CR sera succinct sur certains points, se référer au ppt de l’auteur pour plus de détails.

 

 

 

 

 

 

Françoise Combes, est ancienne élève de l'École normale supérieure (ENS, Paris), agrégée de sciences physiques (1975), et docteur d’État en Astrophysique (1980).

Elle a été Astronome à l'Observatoire de Paris (1989-2014) à la section du LERMA (Laboratoire d’Études du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères).

Elle a été présidente de la Société française d'Astronomie et d'Astrophysique (2002-2004) et a dirigé le Programme national Galaxies du CNRS (2001-2008).

 

Elle est présidente du Cofusi (Comité français des unions scientifiques internationales) depuis le 3 janvier 2010, et membre de l’académie des sciences depuis 2004. Elle est depuis 2003 éditeur de la revue européenne Astronomy & Astrophysics.

Elle occupe la chaire de « Galaxies et Cosmologie » au Collège de France.

 

Françoise Combes s’intéresse particulièrement à la dynamique et à la structure des galaxies et aussi à la matière noire dans l’Univers, ce dernier point sera son sujet ce soir.

 

 

 

 

 

HISTORIQUE DE LA MATIÈRE NOIRE.

 

C’est en 1937, l’astrophysicien d’origine suisse, Fritz Zwicky, qui le premier met le doigt sur l’existence d’une matière invisible tournant autour des galaxies. Grâce à la raie de 21cm de l’Hydrogène, on a pu en effet mesurer la vitesse de rotation des étoiles à différentes distances du centre de leurs galaxies.

Phénomène redécouvert 40 ans plus tard par Vera Rubin.

 

C’est comme cela que l’on s’est rendu compte, que seule la matière visible ne suffisait pas à maintenir la cohésion de la galaxie, il devait exister une matière invisible présente assurant suffisamment de gravité pour que ces galaxies ne se désintègrent pas.

 

 

 

 

 

 

 

 

Les galaxies tournaient trop vite par rapport aux lois de Kepler.

Échelle verticale : vitesse de rotation en différents points

Échelle horizontale : distance au centre de la galaxie en kpc (1kpc = 3,6 al)

Légende :

B = vitesse des étoiles du bulbe galactique

D = vitesse des étoiles du disque

H = vitesse du halo matière noire.

La courbe en trait plein est la résultante observée, la courbe en trait plus fin est ce que l'on attendait, basé sur la matière visible uniquement (courbe képlérienne).

 

 

 

 

 

On remarque aussi par exemple que dans la galaxie M 83, l'Hydrogène atomique (appelé HI), qui est un traceur de la matière sombre, est bien plus large (en IR, vue de gauche sur l’image indiquée dans l’URL) que la galaxie vue dans le visible.

 

La matière noire n’interagit pas avec la matière ordinaire, ni avec elle-même ; elle n’est sensible qu’à la gravité.

 

Mais l’astrophysique permet maintenant d’étudier dans de vastes domaines de fréquences : des X et gamma (haute énergie) aux ondes radio (faibles énergies).

 

http://www.planetastronomy.com/special/2012-special/03avr/amas-I5.jpg

Ce sont les premiers satellites X comme XMM-Newton de l’ESA, qui découvrent des gaz très chauds dans les galaxies comme dans cet amas de Coma sur lequel d'ailleurs Zwicky avait travaillé.

 

Dans l’amas de galaxies Coma en lumière visible (à gauche), on voit les deux galaxies principales, NGC 4874 et NGC 4889, et plein d'autres galaxies.

Au centre, on voit l’image en rayons X à grande échelle prise avec le satellite XMM-Newton (ESA). Le rouge correspond aux zones de plus forte émission X.

À droite, en rayons X l’image obtenue avec le satellite Chandra (NASA) ; les deux points lumineux correspondent aux deux galaxies les plus brillantes.

 

 

 

C’est un vaste amas qui contient plus de 1000 galaxies.

Sa dimension : une dizaine d’années-lumière,

Sa distance à la Terre : 300 millions d’années-lumière.

Sa masse : 1015 masses solaires. 

Il est composé de 15% de gaz ; 5% de galaxies et 80% de matière noire.

 

Il contient du gaz très chaud (100 millions de degrés !) dont la masse serait comparable à la masse manquante.

 

Aujourd’hui, on sait que la masse du gaz chaud correspond approximativement à 10 fois la masse de la galaxie.

Mais il reste encore de la matière noire correspondant à 6 fois la masse visible.

 

La masse manquante se réduit ; la plupart de la matière ne rayonne pas dans les longueurs d’onde visibles.

 

 

OÙ SONT LES BARYONS ?

 

 

On a un problème : il semble que l’on n’observe qu’une partie de la matière ordinaire baryonique.

Dans certaines galaxies la matière baryonique observée est trois fois plus faible que ce que l’on attendait.

On se pose donc la question :

 

Où sont les baryons manquants ?

 

On sait que :

·         6% se trouve dans les galaxies (étoiles) et 3% dans les amas

·         18% dans les filaments cosmiques (forêt Lyman alpha)

·         10% dans le milieu intergalactique (WHIM : Warm-Hot Intergalactic Medium)

·         63% non encore identifié !!!!!

 

 

 

 

En fait il y a très peu de baryons dans les galaxies.

 

 

 

Plus récemment les lentilles gravitationnelles nous aident à trouver de la matière noire, en effet, ces lentilles (une des conséquences de la relativité générale d'Einstein), qui sont des accumulations de matière invisible, situées entre des galaxies lointaines et nous, jouent le rôle d'une véritable lentille optique, donnant lieu à toutes sortes d'images en fonction des types de galaxies, positions et masse de matière. Notamment des mirages ou des anneaux d'Einstein.

 

 

TYPES DE MATIÈRE NOIRE.

 

 

On peut penser à différents types de matière noire suivant leur « température » : chaude, froide ou tiède, en fait la notion de chaud ou froid repose sur la vitesse des particules au moment du découplage du plasma primitif.

La matière noire chaude (HDM Hot Dark Matter) correspond à des particules très rapides et donc relativistes (par exemple les neutrinos)

La matière noire froide (CDM : Cold Dark Matter) correspond à des particules plus lentes.

Modèle intermédiaire, la matière noire tiède (WDM : Warm Dark Matter).

 

Ce qui semble le plus correspondre à ce que l’on pense aujourd’hui : la CDM avec sa particule la plus probable : le neutralino qui est un WIMP (Weakly Interactive Massive Particles)

 

http://www.planetastronomy.com/special/2015-special/18dec/clip_image010.png

On pense à plusieurs sortes de matière noire :

 

·         Matière noire froide : la matière forme des filaments bien distincts

·         Matière noire tiède : filaments flous

·         Matière noire chaude : filaments peu nombreux et flous.

 

 

 

Le modèle froid (CDM) est celui qui représente le mieux les observations à grande échelle de l’Univers

 

 

Mais il y a trop de galaxies naines avec le modèle CDM quand on effectue des simulations par rapport à la réalité. Alors ?

 

 

L’AMAS DU BOULET ET AUTRES SIMILAIRES.

 

 

Voici une photo composite de plusieurs longueurs d’onde de l’amas du boulet (bullet cluster en anglais) Abell 1E0657-558 son nom officiel.

 

http://www.planetastronomy.com/special/2018-special/16dec/clip_image008.png

Il a été mis au jour par Chandra (télescope spatial en X) en 1995.

Après analyse on s’aperçut que c’était un double amas en interaction, l’un traversant l’autre.

Gaz chaud en rose/rouge (H et He émettent enrayons X).

En bleu (la plus grande partie de la masse de l’amas) on représente la distribution de masse de ce qui serait la matière noire, vue par effet de lentille gravitationnelle faible (weak lensing) créée par cet amas

Au centre en blanc et orange : image de la galaxie en visible (optical pour les anglo-saxons).

Crédit : X-ray: NASA/CXC/CfA/Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/. Optical: NASA/STScI.

 

 

 

 

On remarquera que lors de l’interaction des amas, les galaxies et la matière noire se sont pénétrées et traversées sans interaction.

Cependant le gaz chaud (matière baryonique) émettant en X, a subi un choc avec la rencontre il a été freiné et est resté en arrière.

Comme le dit un communiqué de l’Observatoire de Paris si joliment : « La gigantesque collision a « décoiffé » les deux amas de leur halo de gaz provoquant une onde de choc visible dans la pointe de la petite tache rouge. Cette onde de choc a fortement comprimé et donc échauffé les gaz de l'amas au point d'atteindre 100 millions de degrés. On y distingue comme un boulet suivi de sa trainée de gaz. »

 

 

Il existe de nombreux autres exemples de telles collisions (à ce jour 72), en voici quelques-unes.

 

 

 

LES PARTICULES DU MODÈLE STANDARD.

 

 

 

Une possibilité : des neutrinos stériles comme matière noire (tiède) ?

 

Une autre hypothèse concerne les trous noirs primordiaux (PBH = Primordial Black Holes).

 

Ces TN se seraient formés au début du BB et pourraient selon certains constituer une partie au moins de la matière noire.

On pense aussi qu’ils auraient un lien avec les ondes gravitationnelles. Ligo/Virgo commencent à les voir ?

Ces trous noirs correspondraient aux fluctuations quantiques présentes dans l’Univers primordial.

 

Ils ont un avantage, ils n’émettent pas de lumière, mais ils seraient plutôt de la classe MACHOS (Massive Compact Halo Objects) plutôt que WIMP, alors…

 

 

RECHERCHE DES PARTICULES.

 

 

Qu’en déduit-on sur la nature de la matière noire ? Quelles sont les hypothèses les plus sérieuses ?

 

 

http://www.planetastronomy.com/special/2015-special/18dec/clip_image018.jpgIl y a beaucoup de candidats  comme on le voit sur la diapo ci-contre.

 

 

Le candidat favori pour la matière noire est le neutralino.

 

Cette particule hypothétique est neutre, 100 fois plus lourde que le proton et interagit très faiblement avec la matière ordinaire.

Par conséquent cette particule est aussi souvent appelée un WIMP (Weakly Interacting Massive Particle).

 

On obtient l’abondance requise de matière noire avec des particules de masse ~100 GeV, interagissant avec la force faible section d’annihilation ~3 10-26 cm3/s 

 

 

 

 

 

Cela correspond à la plus légère particule de la Super Symétrie (SuSy), mais hélas, pas encore de supersymétrie détectée au LHC, alors….

 

La détection directe (je reprends un texte écrit il y a quelques mois à ce sujet) :

 

Le problème pour détecter les éventuelles particules de matière noire est, de faire taire l’Univers !

 

Ceci afin de distinguer le signal du bruit. Pour cette raison la plupart des expériences sont enfouies sous terre, afin d’éliminer le plus possible les rayonnements parasites, de plus ils sont aussi très souvent refroidis à des températures cryogéniques.

Néanmoins la probabilité d’interaction est faible : de l’ordre de 1 évènement par kg et par an au fond d’une mine pour une expérience comme Edelweiss dans le laboratoire souterrain de Modane.

Alors que pour un être humain il est de 1010 évènements par kg et par an

 

Plusieurs expériences de détection directe ont eu lieu comme :

 

·         DAMA libra au Gran Sasso en Italie devant détecter des particules de matière noire dans le halo galactique suivant la position de la Terre de 6 mois en 6 mois (comme pour les mesures de parallaxe).

·         CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology ) dans une mine d’un parc du Minnesota, la détection se faisant à l’aide d’un cristal de Germanium ultra pur de 440g

·         CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) situé aussi dans le laboratoire du Gran Sasso, il utilise un ensemble de détecteurs à très basse température.

·         Xenon-100 ce détecteur serait le plus sensible du monde, il est supposé être capable de détecter de très rares interactions entre la supposée matière noire et des atomes de Xénon par effet Tcherenkov. Aussi enfoui au Gran Sasso

·         CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) projet de l’Université de Stanford qui se déroule dans la mine Soudan du Minnesota. Cristaux refroidis à très basse température.

·         LUX (Large Underground Xenon Experiment) detection aussi à base de Xénon liquide enfoui dans la mine de Homestake au Dakota du Sud. Effet Tcherenkov.

 

http://www.planetastronomy.com/special/2018-special/16dec/clip_image027.jpgSi les résultats des 3 premières expériences sont plutôt positifs, ceux des trois dernières sont plutôt négatifs.

 

Alors, que conclure ???

 

 

 

 

 

 

 

La meilleure expérience aujourd’hui c’est Xenon 1T dans le tunnel du Gran Sasso.

 

 

Courbe d'exclusion obtenue par XENON1T (sections efficaces en fonction de la masse) comparée avec d'autres expériences (E. Aprile et al.)

 

D’autres améliorations de Xe1T devraient avoir lieu avec 8 tonnes au lieu de 1 tonne !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MODIFICATIONS DE LOIS.

 

Certaines difficultés pour découvrir la matière nous font envisager d’autres solutions, radicales, celles-là !

 

Y aurait-il une autre solution que la matière noire ?

 

Une modification de la loi de la gravitation de Newton par exemple.

 

La théorie MOND (MODIFIED NEWTONIAN DYNAMICS) est censée expliquer le problème de la courbe de rotation plate des galaxies spirales que l'on expliquait jusqu'à présent avec la matière noire.

Avec MOND, par exemple, on garde la loi de Newton lorsque la force de gravité est supérieure à une valeur limite (10-11 g).

Mais si elle est inférieure à cette valeur, on passe en gravité modifiée.

Dans notre système solaire, par exemple, cette limite de gravité se situe aux alentours de 8000 UA!

Cette théorie repose sur la modification de la deuxième loi de la mécanique (la célèbre F = m G) aux accélérations très faibles, on passerait aux faibles accélérations de la loi en 1/r2 en une loi en 1/r, r étant la distance ; la force d'attraction entre deux corps ne décroît plus comme le carré de leur distance 1/r2) mais comme l'inverse (1/r).

 

 

Une autre possibilité, la gravité serait une force émergente.

L’idée est celle-ci : et si la gravité n’apparaissait qu’aux échelles macroscopiques et non pas au niveau des particules élémentaires, elle serait une propriété émergente, une force entropique et non plus une des quatre forces fondamentales ? C’est Ted Jacobson qui émit cette idée en 1995 ; idée reprise un peu plus tard par le physicien indien Thanu Padmanabhan.

Il pense que l’accélération de l’expansion de l’Univers provient de notre méconnaissance de la gravité, qui devrait en fait être traitée comme une force émergente.

Ce serait aussi ce que l’on appelle une force entropique.

Au niveau microscopique : un grand nombre de degrés de liberté invisibles, mais pertinents pour la physique macroscopique

La gravité viendrait automatiquement du fait que l’espace occupé par cette information, ces degrés de liberté microscopiques, dépend de variables macroscopiques, comme la position des objets massifs.

Cela pourrait aussi être lié à l’intrication quantique.

 

 

CONCLUSION.

 

 

La matière noire est constituée de particules encore inconnues, hors du modèle standard.

On la recherche activement depuis plus de trente ans.

 

La masse de ces éventuelles particules est contrainte entre deux énormes valeurs :

Entre 10-6 eV (si ce sont des axions) et 1012 eV (si ce sont des Wimps)

 

Ou est-ce des neutrinos ou des TN primordiaux ?

 

Ou alors sera-t-on obligé de modifier la Gravité (loi MOND) ou d’introduire celle-ci sous forme émergent ?

 

Tout est ouvert !

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

 

Leçon Inaugurale F Combes Collège de France  CR de la séance du 18 dec 2014

 

Le problème de la matière noire : galaxies spirales cours de F Combes au Collège de France.

 

Recherche de la matière noire : CR de la conf SAF (Cosmologie) avec M Cirelli du 16 Dec. 2017

 

La matière noire, une sombre affaire par F Combes.

 

Matière et énergie noires : CR de la conf. de N Palanque Delabrouille à l’IAP le 5 Avr 2011

 

La matière noire sondée à la lumière des quasars par le CEA.

 

La matière noire est peut-être en partie formée de trous noirs primordiaux par Futura Sciences

 

A Cosmological Signature of the Standard Model Higgs Vacuum Instability: Primordial Black Holes as Dark Matter

 

Primordial black hole evolution in two-fluid cosmology par Gutierez et al

 

La matière noire (suite) : XENON1T détecteur de matière noire

 

Record de sensibilité pour XENON1T dans la recherche directe de la matière noire

 

Energie noire et nouvelle physique par F Combes

 

La matière noire est-elle une illusion ? article de Pour la Science.

 

 

Une vidéo d’un cours de F Combes sur un sujet similaire.

 

 

 

 

 

Prochaine conférence mensuelle de la SAF à TeleComParistech : Vendredi 14 Septembre 2018  19H00

 

CONFÉRENCE DE James C. EVANS (Physicien et Historien des Sciences)

Université de Puget Sound (Wa USA) Francophone  SUR

« L’ASTRONOMIE GRECQUE À SON APOGÉE AVEC LA MACHINE D’ANTICYTHÈRE. »

ATTENTION MODIFICATION PAR RAPPORT AU PROGRAMME PRÉCÉDENT SUITE À
UN EMPÊCHEMENT D’OLIVIER WITASSE (QUI VIENDRA LE 14 DEC°)    

 

 

Réservation à partir du 16 Aout 2018 9H00

 

Entrée libre mais réservation obligatoire. (Vigipirate)

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

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