La matière noire

La vidéo de cette semaine parle d’un sujet mystérieux et chaud : la matière noire !

Comme toujours, allons-y pour les compléments, à destination de ceux qui s’interrogent ou veulent creuser plus loin !

Tout d’abord, il faut reconnaître que finalement, le terme de matière noire (ou sombre) est plutôt mal choisi. Si l’on considère le fait qu’une des spécificités de cette matière est de ne pas interagir avec le rayonnement électromagnétique (et donc la lumière), on devrait plutôt parler de matière transparente !

Le théorème du Viriel

Concernant la découverte de Zwicky, elle fait appel à une notion que j’ai passée sous silence : le théorème du viriel. Celui-ci stipule que pour un système de corps en interaction gravitationnelle, il existe une relation entre l’énergie cinétique totale K et l’énergie potentielle gravitationnelle du système U :

K = - \frac12 U

Vous pouvez vous convaincre que pour un simple corps en orbite autour d’un autre, cette relation est notamment valable du fait de l’égalité entre accélération gravitationnelle et accélération centrifuge

\frac{v^2}{R} = \frac{GM}{R^2}

(je vous laisse multiplier chaque membre par mR/2)

Les courbes de rotation des galaxies

Dans le cas du système solaire, je l’explique dans la vidéo, la courbe de rotation est fort simple puisqu’elle découle directement des considérations précédentes

v = \sqrt{GM/R}

et elle est strictement décroissante. Dans le cas d’une galaxie, c’est plus complexe, puisque la matière se trouve répartie sur l’ensemble du disque (et de façon pas forcément homogène). Mais à partir de la matière lumineuse, on peut tout de même tracer une courbe de rotation « képlerienne » qui augmente puis finit par décroitre. Cette courbe est la courbe « attendue ».

Ce qu’il y a d’étonnant dans les observations de Vera Rubin, c’est que cette décroissance ne se produit jamais et que la courbe de rotation stagne. On peut ensuite déduire la distribution de matière noire qui est nécessaire pour expliquer cette courbe plate (voir légèrement croissante comme ci-dessous pour le cas de la galaxie M33)

m33_rotation_curve_hi

J’en profite pour préciser deux choses que je n’ai pas dites. Tout d’abord quand on parle de matière « lumineuse », on peut généraliser au cas des nuages de gaz (principalement de l’hydrogène) que l’on peut notamment observer dans certaines raies spectrales. Enfin on peut mesurer la vitesse orbitale de ces nuages par exemple par effet Doppler dans la raie à 21cm, et donc s’en servir pour étendre les courbes de rotation au-delà de la zone où il y a des étoiles (comme ci-dessus).

Le modèle Lambda-CDM

Je n’ai pas été très explicite sur le sujet, mais le modèle cosmologique en vigueur aujourd’hui s’appelle Lambda-CDM. « Lambda » c’est pour désigner la constante cosmologique (aka l’énergie noire), et CDM signifie « Cold Dark Matter ». Le « Cold » ici ne signifie pas simplement que la température actuelle de la matière noire soit froide, mais que sa nature est telle que lors des premiers instants du Big-Bang, elle a rapidement atteint une vitesse non-relativiste. Cette conclusion provient notamment de l’observation du spectre du rayonnement cosmologique et de l’analyse de la structure de l’Univers à grande échelle.
Ce dernier point est particulièrement intéressant : il faut savoir que l’Univers que l’on observe aujourd’hui est en réalité assez hétérogène. Les galaxies et les amas de galaxies ne sont pas uniformément répartis, mais la matière s’organise en sorte de long filament dont les intersections sont des régions particulièrement riches en matière. C’est ce que représentent les images mystérieuses comme celle-ci :
large-scale-2015-12-07-s-l
Ce qu’il y a d’amusant, c’est qu’on sait que cette structure à grande échelle de l’Univers se trouve être la version extrêmement enflée d’hétérogénéités primordiales issues de fluctuations quantiques amplifiées par le Big Bang. Et pour que cette amplification ait pu avoir lieu, il est important que toute la matière n’ait pas été baryonique. En effet le fait que 80% de la matière soit « transparente » (sans interaction électromagnétique) a fait que cette matière a pu s’effondrer sur elle-même plus vite que la matière ordinaire chaude, et servir d’amorce à l’apparition de la structure de l’Univers à grande échelle.
En somme : si la matière noire était entièrement baryonique, l’Univers n’aurait pas pu se former tel qu’il est aujourd’hui.

Les fluctuations du rayonnement de fond diffus cosmologique

Venons en au sujet des fluctuations du rayonnement fossile, sur lesquelles je me suis un peu gratté la tête pendant la préparation de cette vidéo. Comme je l’explique, les données expérimentales (comme celles de la mission Planck) permettent de faire une régression par un modèle « Lambda-CDM » dont les paramètres sont le contenu en matière/énergie de l’Univers. Ci-dessous les données expérimentales en rouge, et le « fit » par un modèle Lambda-CDM en vert :
planck_power_spectrum_orig
Si l’on varie les paramètres du modèle cosmologique, la courbe en vert va se déplacer. C’est en ce sens que ce fit nous renseigne sur la valeurs des paramètres cosmologiques.
La position du premier pic est essentiellement déterminée par le contenu total en matière et énergie de l’Univers. Mais la taille des seconds/troisième pics est sensible à la quantité de matière noire non-baryonique, comme je le montre dans la vidéo où j’ai réalisé une animation qui passe du fit actuel (ci-dessous en bleu) à une version sans matière noire (en vert, ici j’ai mis 0.3 de baryons et 0.85 de constante cosmo, je parle en fraction de la densité critique)
planck-vs-sans-cdm
Là où je suis moins au clair (et j’en appelle aux bonnes volontés) c’est que je me demande si on n’avait QUE le premier pic (ou les deux premiers), est-ce qu’il resterait une incertitude concernant la nature non-baryonique de la matière noire. En d’autres termes, si je limite les données expérimentales au premier pic, est-ce que je peux trouver un fit avec un modèle cosmologique utilisant seulement la constante cosmologique et la matière baryonique, mais sans matière noire froide ?
Après quelques essais avec le site CAMB qui permet de simuler des spectres de puissance des fluctuations à partir des paramètres cosmologiques, j’ai l’impression qu’on ne peut pas, et donc que même avec un seul pic on peut avoir la certitude que la matière noire est non-baryonique, et ça me surprend car il me semblait avoir appris que pour spécifiquement déterminer le contenu en matière noire, il fallait le 3e pic…mais je ne demande qu’à être contredit !

Merci à Agnès Ferté (@CosmoloGirl) et Matthieu Bethermin (@MatBethermin) pour les échanges sur le sujet via Twitter !

 

37 réflexions sur “La matière noire

  1. Excellente vidéo sur un sujet passionnant ! Au fur et à mesure des découvertes (ie: boson de Higgs) on se rend compte que notre perception quotidienne de la matière, mais également du vide est totalement fausse; la matière « ordinaire » est essentiellement constituée de vide, et au CERN on arrive à faire sortir de la matière supplémentaire du vide…. quant à comprendre la matière noire, je pense qu’on a encore beaucoup de chemin à parcourir ! C’est à la fois passionnant et perturbant pour un non scientifique comme moi.

  2. Thématique passionnante.
    En étant moindre, la matière ordinaire par la gravité a créé des objets denses comme les trous noirs.
    En tenant compte de la proportion importante relative de la matière noire par rapport à la matière ordinaire et que cette matière noire interagit avec la gravité et (donc?) avec elle même.
    Comment expliquer qu’on ne constate pas de trou noir fait de matière noire ?
    Comment la matière noire pourrait rester dans une suspension spatiale plus ou moins homogène ?
    Intuitivement avec l’aléa des concentrations de matière noire, je m’attendrai à observer des formes de galaxies plus ou moins tordu par la matière noire.
    Merci pour votre manière de partager votre passion.

    • hmmm, intéressent … mais je pense que la matière noir a une force gravitationnelle aussi grande et aussi impactente par sa répartition énorme par rapport a la matière baryonique , mais le rapport volume/masse est faible par rapport a la matière baryonique , et vue l’homogénéité de l’univers donc la qu’elle n’arrive pas a condenser de la matière noir pour former des corps massives comme les trou noir vue que la matière ordinaire la gène … et en disant ça un homme me tape a la tète ( Mendelieve ) et ses propos a propos de la répartition de la matière dans l’univers ( la matière la moins massive et la plus répandue ) … et aussi vue qu’elle est moins massive explique sa faible interaction avec les autre froce ( électromagnétique, nucléaire forte et faible )

    • Que quelqu’un m’arrete si je me trompe, mais il me semble que les modeles actuels de formation des galaxies partent de l’effondrement d’un halo spherique de matiere noire (la matiere noire n’etant vraiment sensible qu’a l’interaction gravitationnelle, les zones denses en matiere noire sont donc a geometrie spherique). Et rien ne s’oppose a cet effondrement, contrairement a la matiere baryonique (par exemple la fusion nucleaire dans les etoiles). Si la geometrie etait parfaitement spherique, on n’aurait plus du tout de matiere noire dans les galaxies actuelles, et un gros trou noir au milieu. Bon, il se trouve qu’en pratique ce n’est jamais vraiment le cas, et on se retrouve finalement avec un gros trou noir au milieu quand meme (mais donc un trou noir de matiere noire en somme) et un halo de matiere noire spherique autour de la galaxie.

    • Pourquoi la matière noire ne s’effondre pas et reste en halo diffus ?
      Il faudrait plutôt se poser la question de savoir pourquoi la matière ordinaire s’effondre.

      En fait pour s’effondrer, il faut perdre de l’énergie, c’est ce que fait la matière en rayonnant dans l’infrarouge par exemple.
      Le fait que la matière noire ne s’effondre pas est simple, elle est faite de particules non chargées, et ne peut donc tout simplement pas rayonner pour perdre de l’énergie. Donc la matière noire reste sous forme diffuse.

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  4. Je ne juge tout écrit que par le plaisir qu’il me procure lorsque je le lis. Alors pour cette raison merci pour l’ensemble de vos explications, David.

  5. Super vidéo !

    Par contre tu ne parles pas d’une autre théorie, que j’avais lue et dont j’avais parlé sur mon propre article à ce sujet : que les « perturbations gravitationnelles » attribuées à la matière noire soient en réalité des interactions entre plusieurs univers.

    À ce jour on a beau appeler ça « matière noire », mais on ne sait même pas si c’est vraiment une « matière » (au sens de particules matérielles). On sait juste que c’est « quelque chose » qui agit par la force de gravitation sans agir par les autres forces (forte, faible, électromagnétique).

  6. Bonjour,
    Tu maitrises parfaitement ton sujet et le tout est très agréable à suivre.
    Pourquoi n’as-tu pas parlé de ce qu’en pense les théories de l’univers électriques et celle de la gravité quantique à boucle (LQG) ?

    Amicalement
    Gus

  7. Toujours très agréable de pouvoir venir sur le blog et d’avoir une lecture approfondi des sujets traites en video!
    Merci David

  8. J’avais si hâte de voir comment tu aborderais le sujet de la matière noire !
    J’ai été rassuré en constatant que, contrairement à bien des articles « scientifiques », tu ne prennes pas pour acquit que la matière noire existe réellement et qu’on tarde simplement à la découvrir.
    Et je suis bien content que tu n’écartes pas non plus du revers de la main la théorie MOND, qui a ma petite préférence personnelle, surtout pour l’idée qu’elle soutien.
    Elle n’est pas assez étoffée selon toute vraisemblance mais un nombre croissant de physiciens théoriciens tentent de la raffiner davantage, parfois avec un certain succès. (BiMOND, TeVeS, travaux de Verlinde…)

    Pour Vera Rubin, lors de son décès, plusieurs média titraient que grâce à ses travaux, on avait pu confirmer l’existence de la matière noire ! Ben oui, rien que ça!
    Cette affirmation est évidemment fausse, car la matière noire reste en 2017 qu’une théorie imparfaite et malgré tous les efforts déployés, rien ne prouve encore qu’elle existe.
    Et je suis en accord de ne pas lui avoir attribué un prix Nobel pour une théorie.
    C’est un peu comme Peter Higgs. C’est pourtant dans les années 60 qu’il avait proposé l’existence d’une nouvelle particule, particule qui n’a été observée qu’en 2012, ce qui lui valut l’attribution du prix Nobel seulement l’année suivante, en 2013.
    Pour rappel, le prix Nobel est attribué à des personnes « ayant apporté le plus grand bénéfice à l’humanité ».
    Concrètement, tant qu’une théorie reste infondée, je trouve ça tout à fait sage qu’aucun prix Nobel ne soit décerné.
    Il faut reconnaître par contre qu’elle a connu une carrière exceptionnelle dans un milieu plutôt hostile pour une femme et qu’elle mérite sa place dans le grand panthéon des sciences, notamment pour avoir mis en évidence le fait que les courbes de rotation des galaxies spirales sont plates à grande distance du centre.

    • Saul Perlmutter et Adam Riess ayant ete recompense du prix Nobel pour leur decouverte de l’acceleration de l’expansion de l’univers, entrainant par la meme un debat au sein de la communaute scientifique sur la nature d’une hypothetique matiere noire, il aurait ete tout a fait concevable que Vera Rubin soit egalement recompensee pour ses observations, non ?

      • C’est peut-être dû au fait que la matière noire est encore loin de faire l’unanimité chez les scientifiques, que c’est une théorie qui ne colle pas parfaitement aux observations, contrairement à l’accélération de l’expansion de l’univers qui est devenu LE modèle qui fait consensus. Enfin, presque car une étude récente sème des doutes, réf Subir Sarkar. Mais il faut rester très prudent avec celle-ci.

      • Pour moi-meme travailler sur le sujet, je peux vous dire que l’energie noire, et plus particulierement la constante cosmologique (le fameux Lambda du modele Lambda-CDM), font bien moins consensus que l’idee de matiere noire.

        Sans entrer dans ces debats la, il aurait sans doute ete legitime de lui attribuer le prix nobel ne serait-ce que pour ses observations des courbes de vitesse des galaxies, qui ont permise de se rendre compte que quelque chose ne collait pas, de la meme maniere que Perlmutter et Riess ont ete recompenses pour leurs observations de l’acceleration de l’expansion de l’univers.

        M’enfin, tout le monde ne peut pas l’avoir ce prix, et je suis sur que ceux qui l’ont eu « a sa place » le meritaient.

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  10. A propos de théorème du Viriel il faudrait préciser qu’il s’applique aux moyennes sur le temps et pas aux énergies cinétiques et potentielles instantanées (sauf cas particulier bien sûr comme le problème de 2 corps en orbites circulaires).

  11. Tout ce que je savais de la « matière noire », c’est qu’elle dépassait de loin la matière visible et dense et qu’on ne la soupçonnait qu’à travers ses effets de déformations. N’ayant même pas cherché à déchiffrer / décrypter les représentations graphiques, je suis désormais convaincue de la pertinence de l’appellation « matière transparente ». Quid de l’énergie ? Transparente aussi ?

  12. Dommage que vous ne parlez pas des articles de Stéphane Le Corre sortis en 2015 où par linéarisation des équations de Einstein prouve que la matière noire n’existe pas et que la forme des courbes de vitesse de rotations est due à un champ gravitique.
    Son approche est moins bricolée.

    • Certainement parce que l’article en question n’a été relu par personne, qu’il a été modifié en deuxième version pour enlever ceci : « In our study, we will try a third way of explanation of these discrepancies. This explanation doesn’t modify the quantities of observed matter and doesn’t modify general relativity. To demonstrate the capacity of the general relativity to explain dark matter, we are going to use, in our paper, the native metric of linearized general relativity (also called gravitoelectromagnetism) in agreement with the expected domain of validity of our study ( phi << c2 and v << c ). https://arxiv.org/pdf/1503.07440.pdf
      Qui faisait désordre avec le paragraphe 2.2.2 où v ~ c….. qui a disparu aussi…
      Approche moins bricolée…. pas sûr…

  13. Bonsoir,
    vidéo une fois de plus très instructive par la qualité de traitement du sujet.
    Pour ceux que cela intéresse, je vous recommande également le site du modèle OSCAR, cosmologie-oscar.com, où une approche différente de la nature de la matière noire est proposée (ch 14, ch 49 lettre n, ainsi qu’à la suite de la première diapo du résumé du modèle, en fin de site). Je la trouve très pertinente.
    En gros, le modèle OSCAR dit que la matière noire est composée d’un large spectre d’harmoniques de la brique électron, issu de la collisions des galaxies. Le halo de matière noire s’étend bien au delà de la galaxie « visible ». Les proportions matière noire/matière visible correspondent à ce qui est observé (indirectement), et la théorie « colle » avec les résultats de l’expérience DAMA. Sa non-visibilité est expliquée.

    En ce qui concerne l’énergie noire, elle n’est que le reflet de l’accélération des couches en retard (dont notre galaxie fait partie) par rapport à celles en avance, dans le processus global d’expansion de l’univers, mais qui aura une fin (c’est dans le site également).

    Le chapitre 38 aborde la théorie des cordes, en émettant quelques réserves…

    Le modèle OSCAR répond d’ailleurs à toutes les questions que vous vous posez sur l’univers. Pourquoi personne n’en parle alors?
    réponse: Il est apparemment très difficile de sortir du « modèle standard », pourtant de toute évidence dans une impasse, tant qu’il éludera la non-localité…

  14. Bon, ça à l’air de fonctionner aujourd’hui (les mystères de l’informatique sans doute..)

    Je voulais savoir ce que vous pensez du modèle cosmologique « Janus » proposé par l’astrophysicien français de Jean-Pierre Petit.
    (et des théories adjacentes concernant la nature possible de la « matière noire »)

    je joins des liens vers les docs :

    partie 1 : https://www.jp-petit.org/science/Le_Modele_Cosmologique_Janus.pdf
    partie 2 : https://www.jp-petit.org/nouv_f/videos_liens/Janus-B.pdf

    Merci pour vos travaux intéressant. Et bon courage pour la suite.

  15. Bon, il semble que cela fonctionne…. mais dès que je pose ma question, (ça fait tout de même quatre fois que je rédige le truc…)
    le commentaire n’apparait pas… Y’a-t-il une protection automatisée afin que le nom de certains chercheurs ne puissent être intégré aux commentaires ? Je ne comprends pas !

  16. Une video magnifique; elle illustre le desaroi de la science qui est au fait une religion qui s’ignore dans le sens elle fonctionne comme un magicien qui tire de son chapeau un pigeon blanc. Les scientifqiues sont plus irrationeles que les religieux. ils contestent le fait que les religions evoquent un dieu invisible alors que eux memes evoquent des matieres des energies noirs invisibles, des fonctions ondes invisibles…..L’humanite a besoin d’un autre paradigme rationnel qui va explorer l’ invisible et rejeter les visions religieuses. Le chemin vers la c’est les mathematiques car univers est mathematique et la science ne fait que interpreter les effets de surface des mathematiques en actions. les mathematiques est le language des anges.

    • Je prefere croire en la science car elle ne m’impose pas de faux dieux. Au moins ,moi je ne gobe pas les paroles d’un prétendu messie ou prophète. La grosse différence entre un croyant religieux et un scientifique c’est que l’un a de l’esprit critique et l’autre n’en a pas et c’est bien dommage.

  17. Pingback: La matière noire | Panorama de presse IS...

  18. Les hommes essaient d’expliquer tout par la science (j’ai fait une ecole d’inge aussi, je crois aussi en la science pour tout expliquer). En observant les gens et notre environnement, j’ai pense a une theorie differente : je pense que sur Terre, on fait en realite partie d’une sorte de reality show (qqch comme ce que vite Jim Carrey dans the Truman show), nous sommes observes (voire commandes) par d’autres entites, qui existent peut etre dans une autre dimension. Tout ce qui existe en dehors du systeme solaire, et dont toutes les theories de la physique que David a expose ne collent pas vraiment pour tous les scenarios, en fait tout ca, c’est comme un decor (toujours comme dans the Truman show) et c’est pour ca qu’il n’y pas pas de loi de la physique qui semble s’appliquer universellement. D’ailleurs, cette theorie repondrait aussi a la question de David : est ce qu’on a un libre arbitre ?

    Par ailleurs, il se trouve que plusieurs personnes pensent un peu le meme schema :

    Elon Musk et Nick Bostrom pensent que l’on vit dans une simulation. D’autres physiciens ont pense a cette theorie.

    Voir ici un article interessant sur cette theorie : https://singularityhub.com/2016/06/23/elon-musk-says-were-probably-living-in-a-computer-simulation-heres-the-science/

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