Question d'origine :
Est-ce que la "matière noire" ne freine pas l'expansion de l'univers?
Réponse du Guichet
gds_se
- Département : Équipe du Guichet du Savoir
Le 15/09/2014 à 11h37
Bonjour,
Tout d’abord, tentons de définir la matière noire ou sombre :
Les astrophysiciens sont persuadés que la plupart des objets cosmiques – essentiellement les galaxies –, et l'Univers entier, sont emplis de grandes quantités d'une substance dont ils ne connaissent ni la nature ni la distribution, mais qui gouverne pourtant leur dynamique, et même celle du cosmos. La présence de cette matière inconnue, qui reste invisible car elle n'émet ni n'absorbe aucun rayonnement, pose une énigme qui reste sans solution depuis les années 1930.
Cette idée s'est imposée à la suite de l'observation de divers objets astronomiques dont l'évolution et la dynamique sont gouvernées par les lois de la gravitation : des groupes d'étoiles, des galaxies, des amas de galaxies, et l'Univers lui-même.
(Source : Masse cachée ou masse manquante ou matière noire / Universalis ; article consultable en entier dans les bibliothèques municipales de Lyon)
La matière sombre (dark matter en anglais) est une mystérieuse composante matérielle probablement constituée de particules élémentaires mais en aucun cas de matière normale, c'est-à-dire de protons, neutrons et électrons, et que l’on suppose répartie dans tout l’univers observable. Sans charge électrique et n’interagissant que très faiblement avec la matière normale, elle se signale par son attraction gravitationnelle.
On lui donne plus généralement en français le nom de matière noire ou encore de masse manquante. Il ne faut surtout pas la confondre à l’antimatière dont on sait que la curieuse absence au niveau cosmologique, alors qu’elle devrait être aussi abondante que les particules de matière normale, constitue une énigme toujours irrésolue.
(Source : Matière sombre / Futura Sciences)
De quoi est faite la matière noire ?
Un exemple : les physiciens se sont aperçus que le déplacement des étoiles et des galaxies était plus rapide que ce que prévoient les théories de la physique. Mais seulement si l’on prend en compte dans les équations uniquement la masse de la matière visible. Pour faire coller les observations avec la théorie, il faut donc envisager qu'il existe de la matière invisible : une matière noire qui exerce des forces gravitationnelles sur la matière visible.
Entre cinq et sept fois plus présente que la matière visible
Selon les scientifiques cette matière invisible, indétectable, est bien plus présente dans l'univers que la matière visible. Les calculs indiquent qu'il y a entre cinq et sept fois plus de matière noire que de matière visible. Autrement dit, la matière que nous connaissons (faite d'atomes) représente moins de 20 % de toute la matière qui compose notre Univers.
(Source : De quoi est faite la matière noire ? / France Info)
WMAP / NASA
Pour en savoir plus sur la matière noire :
• La matière noire / Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique Théorique
• Matière noire et énergie sombre / Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers
Attention de ne pas confondre la matière sombre avec l’antimatière, les trous noirs ou l’énergie sombre !
1. L’antimatière est faite de particules qui ont des propriétés égales mais opposées à celles qui composent la matière de tous les jours. Pour les particules, certaines propriétés comme la charge électrique sont opposées. Quand une particule est positive, son antiparticule est négative et vice versa. De plus, particules et antiparticules s’annihilent quand elles se rencontrent, dans une bouffée d’énergie.
(Sources : L’antimatière, c’est quoi ? / LHC France & La matière prend la pas sur l’antimatière / CNRS)
2. Le trou noir est un phénomène physique que notre esprit à du mal à se représenter.
C'est une région de l'espace où le champ gravitationnel est extrêmement fort. Il aspire tout, si bien que rien ne peut s'en échapper. Il est si intense qu'il piège même la lumière. La matière est happée par le trou noir qui l'étire, la déchire, la détruit et l'engloutit.
(Source : Trou noir / Guichet du Savoir)
3. L'énergie noire est le nom donné à une composante hypothétique de notre univers, présentant la particularité d'avoir une pression négative. Elle serait responsable de l'accélération de l'expansion cosmique mise en évidence de façon expérimentale en 1998.
(Source : Energie sombre / Futura Sciences)
L’expansion de l’univers
En 1924, Hubble prouve que la nébuleuse NGC 6822 se situe loin en dehors de notre propre Galaxie, faisant de cet astre le « premier objet définitivement assigné à une région extérieure au système galactique ». Très rapidement, lui-même et ses collaborateurs montrent que c’est le cas de toutes les nébuleuses spirales, dont notre célèbre voisine, la nébuleuse d’Andromède : ce sont autant de galaxies comme la nôtre, et l’Univers est constitué de l’ensemble des galaxies. […]
Outre cet élargissement spatial, la deuxième découverte capitale concerne l’évolution temporelle de l’Univers. Dès le début du XXe siècle, s’accumulent les indices tendant à laisser croire que les galaxies s’éloignent systématiquement de la nôtre, avec des vitesses proportionnelles à leur distance. Ce résultat expérimental reste totalement incompréhensible jusqu’à ce que la communauté scientifique admette, au début des années 1930, la solution proposée en 1927 par le physicien belge Georges Lemaître : l’espace entier se dilate au cours du temps, il est en expansion, et cette expansion entraîne l’ensemble des galaxies .
(Source : De l’infini : mystères et limites de l’Univers / Jean-Pierre Luminet et Marc Lachièze-Rey)
Ainsi, l’Univers n’est pas statique mais évolue constamment. De plus, l’expansion de l’Univers loin de se réduire, accélère !
En 1998, l’annonce avait fait sensation. Elle se confirme : depuis quatre à cinq milliards d’années, l’expansion de l’Univers s’accélère! Ce serait le signe de l’influence d’une mystérieuse énergie noire du vide.
Surprise : l’expansion cosmique accélère
Mais le cours de l’histoire a été perturbé. En 1998, deux équipes indépendantes ont fait leur entrée. La première, le Supernova Cosmology Project, est conduite par Saul Perlmutter de l’université de Californie, à Berkeley, avec la participation du Français Reynald Pain. La seconde, High-z Supernova Search Team, basée au Centre astrophysique d’Harvard à Cambridge Massachusetts, est dirigée par Brian Schmidt de Siding Spring, en Australie. Au cœur de leurs observations : une cinquantaine d’explosions d’étoiles lointaines assimilées à des supernovae de type Ia, c’est-à-dire des déflagrations nucléaires naturelles. Ces phénomènes rares et bien connus sont utilisés comme des «chandelles standards» ou des «bougies de référence» afin de déterminer leur distance. Surprise : ils apparaissent moins brillants que prévu. Les énormes flashs enregistrés pendant des semaines correspondent, pourtant, à des morts d’étoiles bien calibrées… Dès lors, une conclusion s’impose. L’apparente faiblesse de leur éclat s’explique par l’éloignement de l’astre. La galaxie-hôte se trouve à une distance plus importante qu’on ne pense. Les équipes en concurrence concluent que, dans le passé, l’expansion du cosmos se produisait à un rythme plus lent qu’aujourd’hui. Or jusqu’alors il était admis que l’expansion ralentit plutôt sous l’influence de la force d’attraction entre les masses. Le fait est difficile à admettre. Mais il faut s’y résoudre : le mouvement ne s’essouffle pas. Non. Une mystérieuse énergie noire donne un coup de fouet à l’expansion.
(Source : L’énergie noire accélère l’expansion / CNRS)
© Ann Feild (STScl)
C’est donc l’énergie noire (et non la matière noire ) qui entre en compte dans l’expansion de l’Univers. Et ce serait cette énergie noire qui serait la cause de l’accélération de l’expansion de notre Univers.
L’énergie noire se révèle
Mais une autre composante de l’Univers, beaucoup plus surprenante encore, est apparue en 1998 avec les programmes de surveillance d’explosion d’étoiles (supernovae) qui surviennent dans des galaxies externes et lointaines. Petit à petit, ces relevés ont décelé un phénomène inattendu : loin de ralentir, sous l’influence de la gravité et des masses, l’expansion cosmique semble s’accélérer. De quoi bousculer la moindre vision d’écolier qui a sagement appris que la force de Newton est attractive. Contestée au départ, l’observation est devenue de plus en plus solide et fiable. Elle est confortée par la comparaison avec les résultats du satellite Wmap sur les fluctuations du rayonnement primordial. L’information se résume ainsi : l’Univers contiendrait 4,5% de matière ordinaire (baryonique) telle que les atomes de notre chair. La quantité de matière totale, 28 ou 30%, est dominée par une étrange substance exotique et sombre. Dont la nature reste inconnue. Enfin, 70 à 72% du cosmos correspond à une composante répulsive - l’énergie noire - au cœur de multiples interprétations. En bref, la matière noire dessine lentement de gigantesques grumeaux. Les galaxies, amas et superamas s’y condensent. L’énergie noire, elle, "constante cosmologique", "énergie du vide", "quintessence" ou "antigravité", - se caractérise surtout par notre béante ignorance à son égard. Cette énergie pure emplirait l’espace sans jamais s’agréger. Et elle donne un joli coup de fouet à l’expansion.
(Source : Fascinante face obscure du cosmos / CNRS)
Une seconde hypothèse à l’accélération de l’expansion de l’Univers serait que les lois actuelles de la gravitation seraient fausses et devraient donc être modifiées.
L'expansion de l'Univers est actuellement plus rapide qu'elle ne l'était par le passé. Mais, cette accélération ne peut s'expliquer avec les lois fondamentales de la physique sans émettre de nouvelles hypothèses. Parmi les plus probables, deux sont aujourd'hui particulièrement étudiées, à savoir :
• soit l'Univers est rempli d'une mystérieuse énergie sombre produisant une force répulsive qui contrebalance le freinage gravitationnel produit par la matière contenue dans l'Univers ;
• soit la théorie de la gravitation n'est pas correcte et doit être modifiée, en ajoutant par exemple des dimensions supplémentaires à la description de l'espace.
Or, les observations actuelles du taux d'expansion de l'Univers ne permettent pas de trancher entre ces deux options.
(Source : Une nouvelle lumière sur l’énergie noire / Institut national des sciences de l’univers)
Peut-être que le LHC ( Large Hadron Collider ou Grand collisionneur de hadrons) nous permettra de répondre à cette question.
(Source : La piste de la fameuse matière noire se précise … / Le Point)
Pour aller plus loin :
• Et pourtant il accélère ! / La recherche
• Une nouvelle preuve de l’accélération de l’expansion de l’Univers grâce à Hubble / CNRS
• Trous noirs extrêmes : de nouveaux traceurs de l’expansion accélérée de l’Univers / Observatoire de Paris
• How fast is the Universe expanding ? / NASA
• Dark Energy, Dark Matter / NASA
• L’énergie noire vient-elle du vide quantique ? / Institut national des sciences de l’univers
• Le côté obscur de la matière noire / Slate
• Peut-on croire à la matière noire ? / France Culture
Bonne journée
Tout d’abord, tentons de définir la matière noire ou sombre :
Les astrophysiciens sont persuadés que la plupart des objets cosmiques – essentiellement les galaxies –, et l'Univers entier, sont emplis de grandes quantités d'une substance dont ils ne connaissent ni la nature ni la distribution, mais qui gouverne pourtant leur dynamique, et même celle du cosmos. La présence de cette matière inconnue, qui reste invisible car elle n'émet ni n'absorbe aucun rayonnement, pose une énigme qui reste sans solution depuis les années 1930.
Cette idée s'est imposée à la suite de l'observation de divers objets astronomiques dont l'évolution et la dynamique sont gouvernées par les lois de la gravitation : des groupes d'étoiles, des galaxies, des amas de galaxies, et l'Univers lui-même.
(Source : Masse cachée ou masse manquante ou matière noire / Universalis ; article consultable en entier dans les bibliothèques municipales de Lyon)
La matière sombre (dark matter en anglais) est une mystérieuse composante matérielle probablement constituée de particules élémentaires mais en aucun cas de matière normale, c'est-à-dire de protons, neutrons et électrons, et que l’on suppose répartie dans tout l’univers observable. Sans charge électrique et n’interagissant que très faiblement avec la matière normale, elle se signale par son attraction gravitationnelle.
On lui donne plus généralement en français le nom de matière noire ou encore de masse manquante. Il ne faut surtout pas la confondre à l’antimatière dont on sait que la curieuse absence au niveau cosmologique, alors qu’elle devrait être aussi abondante que les particules de matière normale, constitue une énigme toujours irrésolue.
(Source : Matière sombre / Futura Sciences)
Un exemple : les physiciens se sont aperçus que le déplacement des étoiles et des galaxies était plus rapide que ce que prévoient les théories de la physique. Mais seulement si l’on prend en compte dans les équations uniquement la masse de la matière visible. Pour faire coller les observations avec la théorie, il faut donc envisager qu'il existe de la matière invisible : une matière noire qui exerce des forces gravitationnelles sur la matière visible.
Selon les scientifiques cette matière invisible, indétectable, est bien plus présente dans l'univers que la matière visible. Les calculs indiquent qu'il y a entre cinq et sept fois plus de matière noire que de matière visible. Autrement dit, la matière que nous connaissons (faite d'atomes) représente moins de 20 % de toute la matière qui compose notre Univers.
(Source : De quoi est faite la matière noire ? / France Info)
WMAP / NASA
Pour en savoir plus sur la matière noire :
• La matière noire / Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique Théorique
• Matière noire et énergie sombre / Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers
Attention de ne pas confondre la matière sombre avec l’antimatière, les trous noirs ou l’énergie sombre !
1. L’antimatière est faite de particules qui ont des propriétés égales mais opposées à celles qui composent la matière de tous les jours. Pour les particules, certaines propriétés comme la charge électrique sont opposées. Quand une particule est positive, son antiparticule est négative et vice versa. De plus, particules et antiparticules s’annihilent quand elles se rencontrent, dans une bouffée d’énergie.
(Sources : L’antimatière, c’est quoi ? / LHC France & La matière prend la pas sur l’antimatière / CNRS)
2. Le trou noir est un phénomène physique que notre esprit à du mal à se représenter.
C'est une région de l'espace où le champ gravitationnel est extrêmement fort. Il aspire tout, si bien que rien ne peut s'en échapper. Il est si intense qu'il piège même la lumière. La matière est happée par le trou noir qui l'étire, la déchire, la détruit et l'engloutit.
(Source : Trou noir / Guichet du Savoir)
3. L'énergie noire est le nom donné à une composante hypothétique de notre univers, présentant la particularité d'avoir une pression négative. Elle serait responsable de l'accélération de l'expansion cosmique mise en évidence de façon expérimentale en 1998.
(Source : Energie sombre / Futura Sciences)
En 1924, Hubble prouve que la nébuleuse NGC 6822 se situe loin en dehors de notre propre Galaxie, faisant de cet astre le « premier objet définitivement assigné à une région extérieure au système galactique ». Très rapidement, lui-même et ses collaborateurs montrent que c’est le cas de toutes les nébuleuses spirales, dont notre célèbre voisine, la nébuleuse d’Andromède : ce sont autant de galaxies comme la nôtre, et l’Univers est constitué de l’ensemble des galaxies. […]
Outre cet élargissement spatial, la deuxième découverte capitale concerne l’évolution temporelle de l’Univers. Dès le début du XXe siècle, s’accumulent les indices tendant à laisser croire que
(Source : De l’infini : mystères et limites de l’Univers / Jean-Pierre Luminet et Marc Lachièze-Rey)
Ainsi, l’Univers n’est pas statique mais évolue constamment. De plus, l’expansion de l’Univers loin de se réduire, accélère !
En 1998, l’annonce avait fait sensation. Elle se confirme : depuis quatre à cinq milliards d’années, l’expansion de l’Univers s’accélère! Ce serait le signe de l’influence d’une mystérieuse énergie noire du vide.
Mais le cours de l’histoire a été perturbé. En 1998, deux équipes indépendantes ont fait leur entrée. La première, le Supernova Cosmology Project, est conduite par Saul Perlmutter de l’université de Californie, à Berkeley, avec la participation du Français Reynald Pain. La seconde, High-z Supernova Search Team, basée au Centre astrophysique d’Harvard à Cambridge Massachusetts, est dirigée par Brian Schmidt de Siding Spring, en Australie. Au cœur de leurs observations : une cinquantaine d’explosions d’étoiles lointaines assimilées à des supernovae de type Ia, c’est-à-dire des déflagrations nucléaires naturelles. Ces phénomènes rares et bien connus sont utilisés comme des «chandelles standards» ou des «bougies de référence» afin de déterminer leur distance. Surprise : ils apparaissent moins brillants que prévu. Les énormes flashs enregistrés pendant des semaines correspondent, pourtant, à des morts d’étoiles bien calibrées… Dès lors, une conclusion s’impose. L’apparente faiblesse de leur éclat s’explique par l’éloignement de l’astre. La galaxie-hôte se trouve à une distance plus importante qu’on ne pense.
(Source : L’énergie noire accélère l’expansion / CNRS)
© Ann Feild (STScl)
C’est donc l’énergie noire (et non la matière noire ) qui entre en compte dans l’expansion de l’Univers. Et ce serait cette énergie noire qui serait la cause de l’accélération de l’expansion de notre Univers.
Mais une autre composante de l’Univers, beaucoup plus surprenante encore, est apparue en 1998 avec les programmes de surveillance d’explosion d’étoiles (supernovae) qui surviennent dans des galaxies externes et lointaines. Petit à petit, ces relevés ont décelé un phénomène inattendu :
(Source : Fascinante face obscure du cosmos / CNRS)
Une seconde hypothèse à l’accélération de l’expansion de l’Univers serait que les lois actuelles de la gravitation seraient fausses et devraient donc être modifiées.
L'expansion de l'Univers est actuellement plus rapide qu'elle ne l'était par le passé. Mais, cette accélération ne peut s'expliquer avec les lois fondamentales de la physique sans émettre de nouvelles hypothèses. Parmi les plus probables, deux sont aujourd'hui particulièrement étudiées, à savoir :
• soit l'Univers est rempli d'une mystérieuse énergie sombre produisant une force répulsive qui contrebalance le freinage gravitationnel produit par la matière contenue dans l'Univers ;
• soit la théorie de la gravitation n'est pas correcte et doit être modifiée, en ajoutant par exemple des dimensions supplémentaires à la description de l'espace.
Or, les observations actuelles du taux d'expansion de l'Univers ne permettent pas de trancher entre ces deux options.
(Source : Une nouvelle lumière sur l’énergie noire / Institut national des sciences de l’univers)
Peut-être que le LHC ( Large Hadron Collider ou Grand collisionneur de hadrons) nous permettra de répondre à cette question.
(Source : La piste de la fameuse matière noire se précise … / Le Point)
Pour aller plus loin :
• Et pourtant il accélère ! / La recherche
• Une nouvelle preuve de l’accélération de l’expansion de l’Univers grâce à Hubble / CNRS
• Trous noirs extrêmes : de nouveaux traceurs de l’expansion accélérée de l’Univers / Observatoire de Paris
• How fast is the Universe expanding ? / NASA
• Dark Energy, Dark Matter / NASA
• L’énergie noire vient-elle du vide quantique ? / Institut national des sciences de l’univers
• Le côté obscur de la matière noire / Slate
• Peut-on croire à la matière noire ? / France Culture
Bonne journée
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