Question 13 : La matière noire

Bonjour bonjour !

Alors ça y est, vous m'attendiez, me revoilà ! Désolé de ma longue absence, mais entre oraux, fêtes, examens et stage ...
Bref, je vous avais laissé sur un sujet à suspense : La matière noire !
Qu'est-ce que ça t'est-ce ?

Asseyez-vous bien au chaud, et laissez-vous conter l'histoire de la masse cachée.
Partons d'un petit calcul simple : le temps de chute libre (temps caractéristique que met un objet soumis à la gravitation pour s'effondrer sur lui-même). On sait que t = racine(R^3 /GM), où R est le rayon de l'objet et M sa masse (G la constante de gravité).
Petite relation simple pour une sphère : M = 4/3 Pi R^3 * ro (où ro est la masse volumique). Donc t = 0,002 / racine(ro) en années.
Bref, j'vous saoule avec mes équations, mais je voudrais en venir à un constat simple : si vous prenez l'Univers observable en entier (ro = 10^(-27) kg/m^3, ie 0,000..(26 zéros)..1 kg/m^3), alors vous tombez sur un temps de chute libre de 10^11 ans (ie 100 milliards d'années). Où est le constat ? Bah c'est simple : l'âge de l'Univers prédit par le modèle actuel, c'est environ 14 milliards d'années. Toujours pas ? Bah ça veut dire que si l'Univers suit cette loi, on devrait voir des galaxies d'ici 86 milliards d'années, environ.
Quoi ? Vous pensiez qu'on voit déjà des galaxies ? Ah mais oui vous avez raison ! Vous comprenez rien à ce que je dis ? Et bien voilà : ce que je tente de vous dire, c'est qu'avec les lois de la physique qu'on connaît, on NE PEUT PAS expliquer l'existence des galaxies 14 milliards d'années après le Big Bang avec seulement la matière visible.
Et oui ! D'où vient le problème ? Si on part du principe que nos lois de la physique sont justes, c'est que le ro = 10^(-27) kg/m^3 dans nos observations est faux. Il faut qu'il soit beaucoup plus grand pour que le temps de chute libre soit plus faible, et qu'on observe les galaxies aujourd'hui et pas dans 86 milliards d'années. Cette masse qui manque et que nous ne pouvons pas voir (sinon on aurait déjà compté sa masse dans le ro), c'est ce que l'on appelle la Matière Noire.

Historiquement, le premier indice que nous avons eu de l'existence de la matière noire, ce sont les mesures de Fritz Zwicky en 1933. Ce cher monsieur suisse a voulu comparer deux manières de calculer la masse d'un amas de galaxies (une grosse collection de galaxies dans une petite région du ciel) : la masse "dynamique" (calculée à partir des équations de Newton) et la masse "lumineuse" (celle qu'il faut pour qu'elles produisent la lumière qui nous parvient ici sur Terre). Donc la masse "que l'on voit", et la masse "qui est soumise à la gravitation". Et qu'observe-t-il ? Que la masse "que l'on voit" est 400 fois plus petite que "celle qui est soumise à la gravitation". Pourtant, les deux devraient être les mêmes !
Cependant, Zwicky était un être à fort caractère, les autres scientifiques ont ignoré ses mesures.

Quelques années plus tard (années 70), une doctorante en astrophysique du nom de Vera Rubin étudiait les courbes de rotation des galaxies, quand elle fit une découverte surprenante.
Déjà, qu'est-ce qu'une courbe de rotation de galaxie et qu'attendons-nous à voir sur ces courbes ?
Une galaxie, ce sont du gaz, des poussières et des étoiles qui tournent autour d'un point central, en gros. La courbe de rotation d'une galaxie, c'est le graphique de la vitesse de rotation d'une région de la galaxie en fonction de sa distance au centre de la galaxie.
Maintenant, imaginez un couple de patineurs sur une patinoire. Vous vous dites "mais qu'est-ce qu'il raconte d'un coup avec ses patineurs ?!" ? Et bien attendez voir. Regardez un des deux patineurs lorsqu'il tourne sur lui-même : il va plus vite lorsqu'il ramène ses bras le long du corps que lorsqu'ils sont éloignés, pas vrai ? Vous ne voyez toujours pas ? Et bien regardez :

Convaincus ? Bien. Alors maintenant, dites vous que c'est pareil pour tout objet en rotation : plus l'objet est étendu, plus les régions externes tourneront moins vite que les régions internes (c'est ce qu'on appelle la rotation différentielle). Par exemple : Mercure a une plus grande vitesse de rotation autour du Soleil que Jupiter, parce que Jupiter est beaucoup plus éloignée du Soleil que Mercure.
Bref, donc extrapolez ça aux galaxies, et vous verrez qu'on s'attend du coup à ce que la vitesse d'une région de la galaxie soit de plus en plus faible au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre. Tout le monde voit ça ? Alors donc, qu'a observé Vera Rubin ? Que ... ce n'était pas du tout le cas. En fait elle a observé ça :

La courbe A, c'est la rotation différentielle.

La courbe B, c'est ce qu'a trouvé Vera Rubin.

Et ça, ça peut s'expliquer par la présence de matière noire. En effet, si vous imaginez qu'il y a beaucoup de matière que vous ne voyez pas dans la galaxie, et qui s'étend bien au-delà de la galaxie "visible" (grâce à la lumière), on peut expliquer avec des équations le palier de la courbe B.

Au final, ce qu'il faut retenir de tout ça, c'est que pour justifier la plupart de nos observations actuelles sur l'Univers, on a besoin de faire appel à de la matière "invisible" avec une masse totale sur tout l'Univers qui serait 5 à 6 fois supérieure à la masse totale de matière "visible" (par visible et invisible, on entend "qui peut être détecté par la lumière", et pas du tout "que l'on peut voir à l'oeil"). Cette masse cachée, c'est la matière noire.

J'espère que vous avez compris ce que j'ai essayé de vous expliquer, et si ce n'est pas assez clair n'hésitez pas à me le faire savoir.

Demain, je tâcherai de traiter de la question : 

Comment s'est formé le système solaire ?

A demain !!!