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La matière noire
de l'Univers
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Matière noire,
qu’est-ce que ça veut dire ?
• La matière que l’on
ne voit pas, qui
n’émet pas de
lumière !
• … mais que l’on
détecte quand
même par ses
effets
gravitationnels.
Matière sombre…
Matière
pas sombre…
Seulement 1% !
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1930 : première découverte
Dès le début des années
1930, Fritz Zwicky avait
noté que les galaxies
étaient souvent
rassemblées en amas.
Dans le grand amas de
Coma ci-contre, il mesura
les vitesses des
galaxies…
Les vitesses qu’il mesura étaient énormes.

L’amas de galaxies aurait dû se disperser
depuis longtemps, sauf si les étoiles ne
représentent pas plus de quelques pour
cent de la masse de l'amas.
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Pourquoi a-t-il fallu attendre
40 ans pour avancer ?
• Caractère difficile de Zwicky…
• Manque de mesures dans les années
1930
• Amas : hasard ou groupes de galaxies
liées par la gravitation ?
Et pourtant, Zwicky avait découvert les
galaxies naines, prédit l'existence des
quasars, des étoiles à neutrons, ou
encore des supernovae.
Et il avait raison…
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Années 70 : rotation des galaxies
Les galaxies spirales, comme
notre Voie Lactée, sont en
rotation.
La vitesse de rotation ne diminue
pas quand on s’éloigne du cœur,
mais reste pratiquement
constante.

La matière doit s’étendre bien
au-delà de la partie visible de la
galaxie.
Vitesse de rotation
Surprise !
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Matière cachée galactique
Elle pourrait s’étendre sur
un rayon 5 fois supérieur
au rayon observable de la
galaxie.
Mais de quoi est-elle
constituée :
– gaz ?
– étoiles sombres ?
- particules exotiques ?
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Détecter la matière par effet de
lentille gravitationnelle… (1)
Chemin de la lumière
autour de la matière
cachée
Les masses courbent
l’espace-temps…
… donc déforment les
images de galaxies.

Galaxies
lointaines
Galaxies telles que
nous les voyons
Cela permet de
remonter aux masses,
même cachées.
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Détecter la matière par effet de
lentille gravitationnelle… (2)
Entre nous et la galaxie
“Anneau de fumée”, il y
a tellement de matière
cachée que l’on voit de
multiples images de cette
galaxie…
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(I) Masse cachée intergalactique
Lentille gravitationnelle
La galaxie au centre courbe les rayons lumineux d’une
galaxie lointaine et focalise une partie d’entre eux (cône
mauve) sur la Terre. Pour un observateur sur la Terre, la
lumière semble provenir d’un anneau.
En mesurant les déformations de
l’image d’un grand nombre de
galaxies, on peut déterminer avec
précision la quantité de matière
cachée entre nous et les galaxies
observées.
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(II) Étoiles sombres dans notre
galaxie : microlentille gravitationnelle…
• Une étoile a dans le
ciel une image trop
petite pour que l’on
puisse mesurer sa
déformation.
• Mais si un objet
massif passe sur le
chemin entre nous et
l’étoile, la luminosité
de l’étoile va
augmenter.
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EROS (France)
et MACHO (USA)
• 10 ans de mesures
• des millions d’étoiles observées
dans les nuages de Magellan
(SMC et LMC)
Résultat : les étoiles sombres ne
représentent pas plus de 10 à
15% de la masse cachée de
notre galaxie.
Mais où est donc le reste de
cette matière cachée ?
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Une très grande fraction de matière
cachée dans les amas de galaxies…
Observations et
simulations des amas de
galaxies ont depuis
quelques années une
précision beaucoup plus
grande.
Les simulations permettent de "jouer" avec un grand
nombre d’amas de galaxies.
Elles montrent qu’une très grande fraction de matière
cachée ne peut être de la matière ordinaire.
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Simulation de l’histoire
d’un univers sur le superordinateur du groupe
VIRGO. Chaque point
représente une galaxie.
Ces dernières
années, la
précision des
simulations sur
ordinateur de
la structure de
l’Univers s’est
très fortement
accrue.
De leur côté, les
programmes d’observation
de la structure de l’Univers
ont eux aussi énormément
gagné en précision.
Peser
l’Univers… (1)
Deux zones d’observation
des galaxies. Chaque point
représente une galaxie.
Des zones n’ont pas de
points car elles ne sont
pas observées.
Nous
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Peser l’Univers… (2)
• Pour quelqu’un qui pourrait voir le rayonnement
infrarouge et radio, le ciel nocturne n’est pas noir : il
montre l’Univers lorsqu’il était âgé d’environ 380 000
ans, époque où il est devenu transparent.
• L’aspect de cette image permet, en la comparant aux
simulations sur ordinateur, de remonter à la densité
de l’Univers.
Vision du ciel en
rayonnement
radio réalisée par
le satellite WMAP
en mars 2003.
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Température de l’Univers
Micro-ondes Infrarouge
Visible
Ultraviolet
Rayons X Rayons Gamma
Longueur d’onde (m)
Batiments
Humains
Epingle
Protozoaires
Molécules
Atomes
Noyaux atomiques
• L’Univers est devenu transparent lorsque sa température
est tombée en-dessous d’environ 3000 degrés, à l’âge de
380 000 ans. Avant cela, trop excités pour exister de
façon stable, les atomes empêchaient la lumière de se
propager.
•Aujourd’hui, l’Univers a un rayon mille fois plus grand
qu’à cette époque lointaine et sa température n’est plus
celle d’une fournaise, mais seulement de 2,7 Kelvin.
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Tout ce que vous avez toujours
voulu savoir sur l’Univers…
L’image du rayonnement à 2,7 degrés réalisée par le
satellite WMAP…
… comparée aux simulations par ordinateur,
conduit aux "mensurations" suivantes de l’Univers :
– Âge actuel : 13,7 milliards d’années (± 0,2 milliard)
– Âge où il est devenu transparent : 380 000 ans
– Densité/densité critique (effondrement) : 1,00 ±0,02
- Fraction de matière ordinaire : 4% seulement !
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Pas de la matière ordinaire,
mais alors quoi ?
• Le neutrino ? Non,
beaucoup trop léger.
• De nouvelles particules, les
WIMPs prédites par les
théories ?
(WIMP = particule massive
interagissant faiblement)
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Détecter les WIMPs (1)
Détecter les WIMPs est
très difficile, en raison
de leur faible
interaction avec la
matière : moins d’un
choc par mois et par
kilogramme.
Niveau du sol
m
Détection des rayons
cosmiques
m
Protection
..
n
Cuivre
n
Limites à la détection :
Réfrigérateur
- rayonnement cosmique,
Détecteurs
- radioactivité induite
par les rayons cosmiques
L’expérience américaine CDMS a souffert
et radioactivité
du rayonnement cosmique. Elle utilise
naturelle.
maintenant un site souterrain.
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Détecter les WIMPs (2)
Pour améliorer la sensibilité des
expériences, il faut :
- se cacher sous une montagne
pour se protéger des rayons
cosmiques (100 par seconde
traversent notre corps),
- se protéger de la radioactivité
naturelle des roches,
- purifier les matériaux des
détecteurs.
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Edelweiss
et CDMS
L‘expérience française
EDELWEISS est
abritée sous plus de
1600 m de roche, dans
les Alpes.
Le laboratoire souterrain de
Modane. Moins d‘un millionième des
rayons cosmique parviennent à
l‘atteindre.
Son concurrent américain
CDMS est abrité dans la
mine de fer de Soudan
(États-Unis).
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Le détecteur d’EDELWEISS (1)
Dans le détecteur d ’EDELWEISS, le choc d’un WIMP :
- élève un tout petit peu la
température (1 millionième
de degré !),
Détecteur d’EDELWEISS
- engendre un signal
électrique (quelques
centaines d’électrons)
3 fois plus petit que dans le
cas de la radioactivité (pour
une même énergie transmise
au matériau du détecteur)
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Le détecteur d’EDELWEISS (2)
Dans le détecteur : des matériaux extrêmement purs,
une température d’un centième de degré absolu.
EDELWEISS commence
seulement à explorer le
domaine des WIMPs...
Détecteur en germanium
de l’expérience EDELWEISS
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Surprise : la gravité répulsive !
Les supernovae sont des explosions
d’étoiles extrêmement violentes,
visibles à plusieurs centaines de
millions d’années-lumière  elles
peuvent servir d’étalon de lumière.
En les utilisant, on a découvert en
1998 que l’expansion de l’Univers
s’accélère, sous l’effet d’une gravité
répulsive dans laquelle les 2/3 de
l’énergie de l’Univers semblent
résider.
Mais qu’est-ce que cette gravité
répulsive ?
La dernière explosion proche
de supernova, dans le nuage
de Magellan, a été observée
en 1987
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Finalement, la matière cachée ?
• Accroissement très important de la précision des
mesures cosmologiques :
le problème de la matière cachée est bien réel !
• La matière ordinaire ne représente qu’une faible
part (4% !) de la densité de l’Univers.
• Immense surprise de la gravité répulsive.
• Peut-être y a-t-il un aspect essentiel de l’Univers
que nous n’avons pas compris.
• Énigme toujours pas résolue : à vos marques…
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Conclusion
La matière dont nous sommes formés est très loin
d’être majoritaire…
et la composition de l’Univers semble plus
compliquée que nous ne le pensions...
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