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La matière noire dans l’Univers

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Françoise Combes

La matière noire dans l’Univers

Leçon inaugurale prononcée le jeudi 18 décembre 2014

Françoise Combes

Texte intégral

1Monsieur l’Administrateur,
Mesdames et Messieurs les Professeurs,
Chers collègues et chers amis,

2C’est avec une grande émotion que je vous présente aujourd’hui cette leçon inaugurale de la chaire « Galaxies et cosmologie ». C’est un grand honneur aussi, et je remercie l’Assemblée des professeurs du Collège de France de m’avoir accordé sa confiance. Nous aborderons divers domaines concernant la formation et l’évolution des galaxies et des grandes structures de l’Univers dans ces prochaines années, mais pour la première année, j’ai choisi de commencer avec un des plus grands mystères qui hantent les astronomes depuis des dizaines d’années, la matière invisible. Bien que d’énormes progrès aient été accomplis ces dernières années, et que le contenu de l’Univers soit établi maintenant à quelques pour cent près, les astrophysiciens qui travaillent dans le secteur noir, à savoir la matière noire et l’énergie noire, ne savent toujours pas de quoi ils parlent ! Au sens propre, ces deux entités, qui représentent 95 % du contenu de l’Univers, nous sont encore complètement inconnues.

L’astronomie au Collège de France

  • 1 Jean-Claude Pecker, « L’astronomie au Collège de France », La Lettre du Collège de France, no 23, p (...)

3Avant d’entrer dans le vif du sujet, j’aimerais rendre hommage à mes illustres prédécesseurs, les astronomes du Collège de France. Je suis très reconnaissante à Jean-Claude Pecker d’avoir écrit un article historique passionnant sur ce sujet1. Je vais juste en extraire quelques points saillants ici. En 1530, l’astronomie n’avait rien à voir avec la science que l’on connaît aujourd’hui. Le mouvement des astres dans le ciel relevait surtout d’une science mathématique exacte, et c’est pourquoi ce sont surtout des mathématiciens qui représentaient notre discipline. Le premier vrai astronome, converti aux théories de Galilée, est Pierre Gassendi, qui enseigna au Collège de 1645 à 1655. De trente ans plus jeune que Galilée, il partage ses idées et lui écrit des lettres d’encouragement lorsqu’il apprend sa condamnation. Il observe des éclipses de Soleil et de Lune, ou le passage de Vénus et de Mercure devant le Soleil. Il débat vivement avec Descartes. Il est en opposition avec un autre professeur contemporain au Collège, Jean-Baptiste Morin (1583-1656), qui milite pour le géocentrisme. Très conservateur, ce dernier est astrologue de Louis XIII et professeur au Collège royal de 1629 à 1656. Gassendi, lui, est très prudent, et enseigne toutes les théories, celle de Ptolémée aussi bien que celle de Copernic, comme des hypothèses. Après tout, un autre lecteur royal – on dirait aujourd’hui « professeur invité sur une chaire annuelle » –, Giordano Bruno, a connu un destin funeste pour avoir professé des idées d’avant-garde – géocentrisme et pluralité des mondes.

4Les astronomes suivants furent intéressés parfois par les mathématiques, parfois par la géodésie et la navigation. C’est Joseph-Jérôme Lalande (1732-1807) qui transforma sa chaire de Mathématiques en chaire d’Astronomie, où il enseigna pendant quarante-sept ans, jusqu’en 1807. Son enseignement eut donc un impact considérable. Spécialiste des planètes, il rédigea pour l’Académie des sciences les éphémérides astronomiques, La Connaissance des temps. À sa mort, c’est son élève Jean-Baptiste Delambre (1749-1822) qui lui succéda au Collège. Delambre est connu pour avoir, avec son collègue de l’Académie des sciences Pierre Méchain, mesuré par triangulation le méridien terrestre à la demande de l’Assemblée constituante, de 1792 à 1799, afin de connaître avec précision la valeur universelle du mètre : celui-ci fut défini en 1791 comme égal à la dix-millionième partie du quart du méridien. Cette entreprise s’avéra épique, avec de nombreux rebondissements.

5Les successeurs firent surtout un enseignement de mécanique céleste, puis de mécanique analytique. Ce fut une des traditions en France, alors qu’une astronomie plus physique se développait dans les pays voisins. C’est à partir du xxe siècle que l’astrophysique fut enseignée au Collège de France, avec d’abord Alexandre Dauvillier sur la chaire de Physique cosmique, qui s’intéressait aux rayons cosmiques notamment, André Lallemand, sur la chaire « Méthodes physiques pour l’astronomie », très célèbre pour sa caméra électronique, de pointe à l’époque. Plus récemment, Jean-Claude Pecker (chaire d’Astrophysique théorique), Antoine Labeyrie (chaire d’Astrophysique observationnelle) et Gabriele Veneziano (chaire « Particules, gravitation et cosmologie ») enseignèrent l’astrophysique moderne.

La matière noire : préhistoire

6Il est courant de faire remonter la découverte de la matière noire en astrophysique aux années 1930. Pourtant, on peut identifier au siècle précédent une démarche un peu analogue, mais à des échelles bien plus petites, celles du système solaire. La planète Uranus, découverte en 1781, présentait des anomalies dans son mouvement, qui ne pouvait s’expliquer avec la gravitation de Newton, sauf à supposer une masse supplémentaire, non encore observée. Vers 1844, Urbain Le Verrier, à l’instigation de François Arago, alors directeur de l’Observatoire de Paris, calcule la masse, l’orbite et la position supposée de cette planète éventuelle. Le jour même où il reçoit par courrier cette prédiction, l’astronome Johann Galle, à Berlin, découvre la planète qui sera nommée « Neptune ».

7Mis en confiance par cette brillante réussite, Le Verrier essaie de faire une prédiction analogue, quelques années plus tard, pour expliquer l’avance anormale du périhélie de Mercure de 43’’ par siècle. Cela pourrait être dû encore à une masse invisible, à l’intérieur de l’orbite de Mercure, qu’il propose d’appeler « Vulcain ». Mais lors de l’éclipse de Soleil en 1860, Vulcain n’est pas au rendez-vous. Il postule alors l’existence d’une ceinture de petits corps, les vulcanoïdes.

8Le problème fut résolu en 1916 par Albert Einstein, dont la théorie de la relativité générale explique exactement l’avance du périhélie de Mercure de 43’’ par siècle. Cet exemple historique montre comment un problème de masse manquante peut être résolu, soit par la découverte de matière supplémentaire, soit par un changement de la loi de gravitation.

La matière noire : histoire

9La découverte de la matière noire et la prise de conscience qu’il s’agissait bien d’un problème fondamental se sont étendues sur des dizaines d’années. La progression des idées dans ce domaine est très intéressante pour l’histoire des sciences, et l’épopée n’est pas encore terminée !

10Dans son article de 1937, Fritz Zwicky propose plusieurs méthodes pour estimer la masse des galaxies et des amas de galaxies. Il estime que les amas de galaxies comme Coma sont assez denses et concentrés pour être à l’équilibre, entre mouvements désordonnés (énergie cinétique) et forces gravitationnelles (énergie potentielle), et il donne une estimation de la masse totale à partir des vitesses Doppler mesurées. Il applique le théorème du viriel, qui égalise deux fois l’énergie cinétique à la valeur absolue de l’énergie potentielle. Il trouve une masse plus de cent fois supérieure à la masse visible des galaxies ! Dans l’amas de Virgo, Sinclair Smith trouve en 1936 des rapports de masse comparables et remarque, grâce aux distributions de vitesses, que l’amas est en équilibre dynamique. Curieusement, Zwicky ne pensait pas que cette méthode serait valable pour les galaxies, car il pensait, à tort, que les étoiles étaient soumises à une viscosité, et que leurs mouvements de rotation autour du centre des galaxies n’étaient pas le seul reflet de la masse. Pourtant, Horace Babcock, en 1938, mesure la courbe de rotation de la galaxie d’Andromède et en déduit une masse bien supérieure à la masse visible. Il est surprenant de voir que ces premiers travaux n’ont pas été pris au sérieux, et n’ont pas alerté les astronomes sur un problème qui allait se révéler fondamental quarante ans plus tard. Zwicky avait avancé plusieurs hypothèses pour la masse manquante dans Coma : celle-ci était soit dans les galaxies, soit dans l’espace intergalactique, soit la masse visible était obscurcie par de la poussière intergalactique, ou bien la loi de Newton devait être modifiée à grande échelle. Parmi les candidats à la masse manquante, il pouvait s’agir d’objets compacts – comme des astres morts –, de poussière ou de gaz. L’astronome hollandais Jan Oort, dans les années 1930, avait aussi pensé à ce type de matière manquante pour expliquer l’équilibre vertical du plan de notre galaxie, au voisinage du Soleil.

11Dans les décennies qui suivirent, de plus en plus de galaxies proches, dans le Groupe local, virent leur courbe de rotation mesurée par des spectres de raies de gaz ionisé (Hα et [NII] notamment) dans les longueurs d’onde optiques (entre 0,35 et 0,75 micron) et, dans les années 1960-1970, un grand nombre de galaxies spirales bien au-delà, notamment par l’équipe de recherche de Vera Rubin. Les courbes de rotation servaient à mesurer la masse des galaxies, et le rapport masse/luminosité variait de 2 à 10 selon le type de galaxie, la distance au centre, etc. Le fait que la plupart des courbes de rotation soient assez plates vers le bord pouvait être expliqué par la distribution des étoiles en fonction de la distance au centre. La masse croissait linéairement avec le rayon, mais cela paraissait réaliste pour un disque d’étoiles. Les incertitudes étaient grandes : l’existence de vitesses non circulaires était-elle due à une barre d’étoiles, à des distorsions du plan ou à un gauchissement variable de celui-ci ? C’est pour cela que l’idée de matière noire a mis du temps à s’installer.

12Pourtant, en 1963, Arrigo Finzi publie un article très en avance sur son temps. Il mesure la masse de la Voie lactée grâce aux mouvements des amas globulaires et la trouve trois fois trop grande. Remarquant la platitude des courbes de rotation déjà mesurées à cette époque, il observe qu’avec le rayon de la galaxie croît non seulement la masse, mais aussi le rapport masse/luminosité des étoiles. Mais si on suppose que toute cette masse est constituée d’étoiles mortes, il y aurait eu beaucoup plus d’éléments lourds fabriqués par ces étoiles que ce qui est observé. Prenant en compte plusieurs contraintes astrophysiques, Finzi émet l’hypothèse que la masse des galaxies n’est pas aussi grande, mais que la loi de la gravitation décroît moins vite que le carré de la distance, à l’échelle d’une galaxie.

13En parallèle, après la découverte fortuite, dans les années 1960, de l’émission en rayons X du gaz chaud dans les amas de galaxies proches (Virgo, Coma), le premier relevé astronomique (sky survey en anglais) complet par le satellite Uhuru, en 1971, confirma que les amas de galaxies sont de puissants émetteurs de rayons X et que la matière visible y est dominée par le gaz chaud. Les galaxies ne correspondent qu’à 10 % de la masse dans les amas. Ce fut le début d’une grande prise de conscience : l’essentiel de la matière, dans l’Univers – même la matière ordinaire –, ne rayonne pas dans les longueurs d’onde optiques ! Nous devons à nouveau nous défaire de notre anthropomorphisme. Nos yeux sont construits pour les longueurs d’onde de l’arc-en-ciel, du violet au rouge, alors que l’essentiel ne rayonne pas dans ce domaine, ce qui peut conduire à une vision erronée de l’Univers. Au fil des années, la matière noire mentionnée par Zwicky s’est réduite comme une peau de chagrin et, dans les années 1970, l’espoir était de découvrir, à d’autres longueurs d’onde ou par d’autres moyens, la fameuse matière noire, dont personne ne pensait qu’elle pût être autre chose que de la matière ordinaire.

14Un argument théorique proposé par Jeremiah P. Ostriker et P. James Peebles en 1973 va donner plus de crédit à l’hypothèse de la matière noire. Dans les années 1960-1970, les simulations sur ordinateur de la dynamique des galaxies, sous l’influence de leur propre gravité, révélaient des résultats surprenants. Au lieu de développer des bras spiraux, comme prédit par la théorie analytique des ondes de densité, les disques de galaxies étaient tous violemment instables et formaient des barres (Hohl, 1971). Ainsi chauffés, les disques d’étoiles ne formaient plus des spirales, mais restaient barrés. Or, les fortes barres n’existent que dans un tiers des galaxies observées. Comment éviter la prédominance des barres ? Ostriker et Peebles ont formulé l’hypothèse que les galaxies baignent dans un halo de matière invisible quasi sphérique, stabilisé par la dispersion des vitesses et ne participant pas aux instabilités. Ce halo stabilise le disque, qui devient moins autogravitant. Ne s’arrêtant pas là, les auteurs extrapolent l’existence du halo noir aux échelles plus grandes et font le rapprochement avec la masse manquante des amas de galaxies. Bien que, plus tard, des simulations plus réalistes de disques galactiques aient montré que leur stabilité par rapport aux barres ne nécessitait pas forcément de halo noir, l’idée était lancée et, surtout, elle allait être confirmée par un grand nombre de courbes de rotation, observées en radio avec l’hydrogène atomique, cette fois avec une extension radiale bien supérieure aux précédentes, donc sans ambiguïtés (fig. 1).

Figure 1

Figure 1

Ensemble de courbes de rotation synthétiques, moyennes sur un grand nombre de galaxies à chaque luminosité (ou magnitude absolue MI). Le rayon en abscisse est normalisé au rayon optique. Au-delà de Ropt, les courbes de rotation sont obtenues en radio, avec la raie de l’hydrogène atomique à 21 cm. Le fait que les courbes soient encore plates dans ces parties externes, sans masse stellaire, confirme le besoin de matière noire.

Adapté de M. Persic et al. (1996).

15C’est donc quarante ans après les premières découvertes d’Oort et de Zwicky que l’idée d’une matière noire dominant les galaxies et les amas galactiques a fait son chemin. Il a fallu pour cela une conjonction entre le progrès des observations dans tout le spectre électromagnétique (radio-astronomie, rayons X) et les concepts théoriques, aidés par le progrès des simulations numériques.

16Or, ce n’est que le début. Alors que, dans les années 1970, on ne parle encore que de matière ordinaire, dans la décennie suivante va émerger l’idée d’une matière exotique, non baryonique.

La matière noire devient exotique

17Le changement de paradigme en 1984 provient de plusieurs avancées en cosmologie survenues dans les années précédentes. Tout d’abord, la découverte du fond cosmologique micro-onde par Penzias et Wilson en 1965 confirme la théorie du Big Bang pour les premières phases de l’Univers. La nucléosynthèse primordiale dans l’Univers jeune donne alors des contraintes sur la densité de protons et de neutrons présents dans le premier quart d’heure, pendant lequel se forment les éléments comme l’hélium et le deutérium. En 1975, après que leurs abondances ont été mesurées précisément, il est établi que la matière ordinaire ne peut pas dépasser 5 % de la densité critique, celle qui sépare les univers ouverts et fermés. Cette densité critique est aujourd’hui de 10−29 g/cm3. Toute densité normalisée à cette densité critique se nomme Ω par convention, ce qui se traduit par Ωb = 0,05 pour les baryons (ou matière ordinaire) dont nous sommes faits (fig. 2).

Figure 2

Figure 2

Composition de l’Univers d’après les dernières déterminations de la mission Planck (à gauche) et détail de la matière ordinaire, les 5 % de baryons (à droite). Les étoiles des galaxies ne correspondent qu’à 6 % des baryons et le gaz très chaud dans les amas à 3 %. L’étude des absorbants dans la raie Lyman-α de l’hydrogène montre qu’environ 18 % d’entre eux pourraient se trouver sous forme de gaz ionisé dans les filaments cosmiques intergalactiques. On pense aussi qu’une grande partie des baryons pourrait se trouver dans un état tiède ou chaud (WHIM pour warm-hot intergalactic medium). Plus de la moitié est encore inconnue et devrait se trouver sous forme de gaz chaud ou froid.

18Par ailleurs, dans le fond cosmologique micro-onde, qui est le bain de photons provenant de la dernière surface de diffusion, environ 400 000 ans après le Big Bang, on devrait voir les fluctuations de densité primordiales qui ont donné lieu ensuite aux grandes structures et aux galaxies. Pourtant, ces fluctuations vont se révéler très petites, et il n’existe que des limites supérieures à cette époque. Le niveau de ces limites devient si bas qu’il pose un problème sérieux. En effet, la croissance des fluctuations de densité est très lente, leur effondrement gravitationnel étant très ralenti par l’expansion de l’Univers. L’amplitude des fluctuations ne croît que linéairement avec la taille caractéristique de l’Univers, ou bien comme l’inverse de (1 + z), z étant le décalage vers le rouge (redshift en anglais). La matière ordinaire ne peut commencer son effondrement qu’après la recombinaison (z~1000, T = 3000 K), car auparavant les ions et les électrons sont intiment associés aux photons par la diffusion Thomson. Les particules chargées participent alors aux oscillations acoustiques avec les photons. Si l’on doit attendre que les atomes d’hydrogène se forment et que le gaz de baryons se sépare des photons, alors les fluctuations de densité ne peuvent croître que d’un facteur 1000. Comme les limites supérieures mesurées à l’époque sont déjà inférieures à δρ/ρ~10−3, les structures ne peuvent pas se former dans un Univers fait uniquement de matière ordinaire. Or, la matière noire n’interagit pas avec les photons et peut s’effondrer sous sa propre gravitation pour former des structures et des galaxies noires, avant la recombinaison. L’existence d’une matière noire exotique, faite de particules encore inconnues, s’impose alors.

19Vers la même époque fut émise l’hypothèse selon laquelle les neutrinos auraient peut-être une masse, contrairement à ce qui est prédit par le modèle standard de la physique des particules élémentaires. C’est le mystère des neutrinos solaires qui suggère l’existence de cette masse. Seulement un tiers du flux de neutrinos provenant du Soleil est détecté parce que les neutrinos existent en trois saveurs : électronique, muonique et tau. Sur le chemin entre le Soleil et la Terre, ils s’échangent entre ces trois saveurs, et sur Terre les détecteurs ne comptent que les neutrinos électroniques. Or, l’échange entre les trois saveurs n’est possible que si les neutrinos ont une masse. On ne connaît encore à l’heure actuelle que le carré de la différence de masse, mais pas encore les masses individuelles (fig. 6).

20Les neutrinos provenant du Big Bang sont présents aujourd’hui avec une densité comparable à celle des photons (300 neutrinos/cm3). En 1976, la question se pose alors : et si la matière noire était constituée de neutrinos ? La densité normalisée des neutrinos est Ων = Σ m(neutrino)/45 eV. Si chacun des neutrinos contribue à 15 eV, les neutrinos pourraient fermer l’Univers (Ω = 1). Cette masse était encore possible dans les années 1970. Rappelons que la masse équivalente à 1 eV = 1,8 10−33g, et que la masse de l’électron est de m(électron) = 0,5 MeV, par comparaison.

21Mais très vite, les astronomes remarquent que la matière noire ne peut pas être constituée uniquement de neutrinos, car c’est de la matière noire chaude. Cela signifie, d’une part, que les particules sont relativistes lorsqu’elles se découplent du Big Bang, c’est-à-dire lorsque leur abondance est gelée, et qu’elles ne peuvent plus être en équilibre formation-annihilation, la température de l’Univers tombant en dessous de leur énergie de masse ; d’autre part, qu’elles ne peuvent plus s’annihiler, car leur densité tombe en dessous de la densité critique avec l’expansion de l’Univers. Or, les particules relativistes créent une pression qui empêche la matière de s’effondrer sur des échelles de l’ordre de leur libre parcours moyen. Il ne se formerait alors que de très grandes structures, qui ensuite pourraient se fragmenter. Mais ce scénario n’est pas favorisé par les simulations numériques de formation des structures. La matière noire froide (CDM pour cold dark matter), faite de particules plus massives, non relativistes au découplage, devient le modèle privilégié, le modèle standard. Ces particules permettent la formation de structures à toute échelle. Comme les premières structures à s’effondrer sont à petite échelle, cela correspond au scénario hiérarchique, où les grandes structures se forment par fusion de plus petites. Les particules de matière noire candidates sont supposées n’interagir entre elles que par l’interaction faible, et sont alors nommées les WIMPs (pour weakly interactive massive particles).

La matière noire baryonique

22Dans les années 1990, il restait encore de nombreuses possibilités pour rendre compte des baryons noirs, et notamment des objets compacts (étoiles ratées, comme des naines brunes, des trous noirs, etc.). En 1986, Bohdan Paczyński avait proposé une méthode pour tester ces hypothèses, en utilisant le phénomène de microlentille. Un objet compact peut dévier le rayonnement des étoiles derrière lui s’il se trouve suffisamment aligné sur la même ligne de visée. La probabilité étant faible, de l’ordre de 10−6, il fallait observer en continu des millions d’étoiles de fond. Des consortiums commencèrent donc ces expériences pour détecter les MACHOs (massive compact halo objects) et, en 1993, les groupes MACHO et EROS détectent les premières microlentilles, l’amplification pendant plusieurs jours de la lumière venant d’une étoile du Grand Nuage de Magellan. Un autre groupe, OGLE, fait des observations dans la direction du bulbe de la Voie lactée, et détecte aussi des événements correspondant à des étoiles de notre galaxie. Des millions d’étoiles ont ainsi été observées pendant plus de dix ans, ce qui a permis d’éliminer l’hypothèse d’objets compacts comme constituant une partie significative de la matière noire. Cette élimination s’étend à tous les objets de masse 10−7 M¤ < M < 5 M¤. Les expériences de microlentille continuent d’être menées encore aujourd’hui dans le but de mieux connaître les populations d’étoiles obscurcies, ou bien de détecter des planètes.

23Ne reste alors pour les baryons noirs que le gaz diffus, soit très chaud, soit très froid. Nous avons formulé l’hypothèse que ce dernier pourrait se trouver sous forme de gaz moléculaire très peu enrichi en éléments lourds en bordure des galaxies, faisant le lien avec les filaments cosmiques (Pfenniger et Combes, 1994). Ce gaz sert alors de réservoir pour la formation d’étoiles. La stabilité du gaz moléculaire est due à sa structure fractale. Le gaz est formé de grumeaux, de masse comparable à celle de Jupiter (10−3 M¤), mais de taille bien plus grande (~20 AU). Une partie de ce gaz a été détecté depuis par les satellites Herschel et Planck.

Les lentilles gravitationnelles faibles : le cisaillement et les cartes de matière noire

24Le phénomène de lentille forte, d’arc gravitationnel dans les amas de galaxies, a été découvert vers la fin des années 1980 (Soucail et al., 1987, fig. 3). Les rayons lumineux des galaxies de fond, bien alignées avec le centre de l’amas, sont déviés par la matière totale (essentiellement noire) de l’amas, et ces galaxies sont éclatées en plusieurs images, ou forment des parties d’anneau d’Einstein, des « arcs ». Ces observations sont très utiles pour connaître la distribution de matière noire dans les amas. Plus tard, il devint possible d’observer de façon statistique les déformations faibles de milliers de galaxies de fond, qui s’alignent comme de la limaille de fer pour donner une image globale du potentiel gravitationnel. Ce phénomène est appelé « cisaillement gravitationnel » et permet de cartographier la matière totale dans des parties du ciel assez peuplées (fig. 5).

Figure 3

Figure 3

Exemples d’arcs gravitationnels dans les amas de galaxies, qui sont des lentilles fortes. À gauche, Abell 370, où le premier arc a été découvert par Soucail et al. (1987). À droite, CL0024+17, où se trouvent cinq images d’une galaxie de fond, bleue en forme d’anneau.

Images du télescope spatial Hubble (NASA/ESA).

25Les premières cartes de matière noire à grande échelle ont révélé combien les deux types de matière étaient intimement liées (Massey et al., 2007). Grâce à l’obtention des distances des galaxies de fond, dont les déformations sont mesurées, la cartographie de la matière totale peut être faite en trois dimensions. Ceci devient possible pour un très grand nombre de galaxies lointaines grâce aux décalages vers le rouge photométriques : il est bien plus rapide d’obtenir la photométrie en cinq couleurs d’un objet que son spectre de raies. La distribution d’énergie n’est évidemment pas aussi précise qu’un spectre de raies décalées mais, statistiquement, sur des milliers d’objets, la connaissance des distances devient plus robuste. En apprenant aux machines l’expertise nécessaire pour reconnaître les types de distribution spectrale, on peut ainsi espérer déterminer les distances de millions d’objets, quasi automatiquement, dans les projets de cartographie gigantesques qui sont en préparation aujourd’hui.

26La comparaison de la matière totale à grande échelle avec la matière rayonnante, cartographiée par la lumière visible des galaxies, et celle des amas de galaxies en rayons X, montre une très bonne corrélation : les deux matières suivent une structure filamentaire qui ressemble à une « toile d’araignée » cosmique. Les vides ne sont pas peuplés de matière noire.

27Notons que la grande corrélation entre matière visible et matière noire doit forcément se briser lorsque l’on arrive aux échelles galactiques. Dans les galaxies spirales proches, ce n’est que dans les parties externes que se manifeste la matière manquante. Au centre des galaxies à grande brillance de surface, les étoiles suffisent à rendre compte de la masse dynamique. C’est ainsi qu’il est très difficile de détecter une quelconque masse invisible dans les galaxies elliptiques. En revanche, les galaxies naines, les galaxies à faible brillance de surface, sont souvent dominées par la matière noire dès leur noyau. La relation très serrée entre matière noire et matière visible dans les galaxies spirales est bien représentée par la loi de Tully-Fisher, qui relie la matière baryonique, composée d’étoiles et de gaz, avec la courbe de rotation en bordure de ces galaxies, essentiellement déterminée par la matière totale, soit la matière noire essentiellement (fig. 4). La corrélation est une loi de puissance avec une pente 4. La comparaison avec les prédictions des simulations numériques du modèle standard de matière noire froide fait apparaître deux problèmes : la pente n’est pas assez forte mais, surtout, les baryons que l’on pourrait attendre de par leur abondance dans l’Univers ne se retrouvent pas dans les galaxies ! Sans doute existe-t-il des phénomènes énergétiques de rétro­action liés, soit à la formation d’étoiles, soit à la formation des trous noirs super-massifs dans les galaxies, qui éjectent les baryons dans l’espace intergalactique. Les simulations numériques de ces phénomènes complexes devront être plus développées pour mieux comprendre la formation des galaxies.

Figure 4

Figure 4

Relation entre la masse baryonique Mb (somme de la masse d’étoiles et de gaz) et les vitesses de rotation dans les parties externes Vf pour les galaxies spirales (ronds bleu clair : galaxies dominées par le gaz, ronds bleu foncé : galaxies dominées par les étoiles). Les observations révèlent une corrélation Mb ~V4 (loi de Tully-Fisher baryonique) alors que la théorie de la matière noire CDM prédit une loi en V3, et surtout une masse baryonique bien supérieure dans les galaxies (fb est la fraction universelle de baryons = 17 %).

D’après Famaey et McGaugh, 2012.

28C’est grâce au cisaillement gravitationnel et à la dérivation des cartes de matière totale qu’il a été possible d’isoler matière noire et matière visible dans les collisions d’amas de galaxies. Ces événements rares ont été mis en évidence grâce au spectaculaire amas du Boulet. Dans ce dernier, la collision se passe dans le plan du ciel, avec une disposition très claire. Un petit amas repéré par l’émission de gaz X qui l’entoure vient de traverser de plein fouet, à vitesse supersonique, un amas plus gros, lui aussi entouré de son enveloppe de gaz X. Le gaz chaud autour du plus petit amas révèle une forme caractéristique d’arc de choc en pointe, dont l’angle d’ouverture mesure la vitesse relative : 4700 km/s ou Mach 3. Dans la collision, le gaz chaud est freiné, choqué, il dissipe l’énergie cinétique relative par rayonnement, alors que les galaxies se traversent sans se voir, comme un milieu sans collisions. De même, la matière noire est supposée faite de particules sans collision. La distribution de matière totale, qui se superpose bien avec celle des galaxies, semble montrer que les deux types de masse sont bien séparés, ce qui démontre l’existence d’une autre composante de masse, autre que la masse baryonique visible, représentée essentiellement par le gaz chaud. Cette autre composante doit être non collisionnelle.

29Dans un autre amas en collisions, Abell 520 (fig. 5), la situation opposée a été observée. La matière totale se superpose mieux avec la distribution de gaz chaud qu’avec celle des galaxies. Est-ce à dire que les particules de matière noire sont sujettes à collision ? L’observation d’un grand nombre de tels amas en coalescence pourrait contraindre la section efficace de collisions de ces particules.

Figure 5

Figure 5

L’amas de galaxies Abell 520 est en fait le résultat d’une collision entre deux sous-amas. Sur l’image de gauche, les contours et la couleur bleue viennent de la masse totale déduite du cisaillement gravitationnel et la couleur rouge de l’émission X du gaz très chaud. Sur l’image de droite, la matière totale (essentiellement la matière noire) et les rayons X sont superposés en contours (bleus et rouges respectivement) sur une distribution lissée de toutes les galaxies visibles appartenant à l’amas. Parmi les quatre pics de masse totale (indiqués par des chiffres), le pic le plus prononcé (3) ne correspond pas aux galaxies de l’amas, mais à la masse de gaz chaud.

D’après Mahdavi et al. (2007) et Jee et al. (2012 et 2014).

30En dehors des collisions d’amas de galaxies, qui sont des événements exceptionnels dans l’Univers, il est pratiquement impossible de séparer matière noire et matière visible à grande échelle. Les cartes de matière noire effectuées dans les champs profonds avec le télescope spatial Hubble ont montré une très bonne association entre les diverses sortes de matière. Les vides sont vraiment vides et non remplis par de la matière noire.

31Les cartographies de matière noire ne s’effectuent pas seulement à deux dimensions en projection : des tomographies sont possibles en mesurant les décalages vers le rouge (redshifts) des galaxies dont on observe les déformations. Cela permet de tracer des cartes à trois dimensions. Les lentilles faibles, associées avec d’autres méthodes, comme la recherche d’oscillations acoustiques dans la distribution des baryons à grande échelle, ou les perturbations des redshifts dues aux grandes structures, seront utilisées par de nombreuses expériences pour élucider la nature de l’énergie noire dans la prochaine décennie, comme le satellite européen Euclid.

Les simulations numériques testent la nature de la matière noire

32Les simulations ont fait des progrès immenses ces dernières années grâce à la puissance des super-ordinateurs. La formation des grandes structures est très bien reproduite, non seulement avec de la matière noire froide, mais aussi avec la distribution des fluctuations de densité initiales observées dans le fond cosmologique micro-onde, véritables conditions initiales des simulations. Les simulations de matière noire seule contiennent jusqu’à 100 milliards de particules et prennent des mois de calcul. Pourtant, lorsque l’on s’intéresse aux échelles galactiques, les galaxies formées dans l’ordinateur ne ressemblent pas à celles que l’on observe. Parmi les problèmes rencontrés, la distribution de matière noire prédite ne correspond pas aux courbes de rotation observées maintenant pour des milliers de galaxies proches : la matière noire a tendance à former des pics de densité au centre des galaxies, alors que des plateaux sont observés. Et autour des galaxies comme la Voie lactée, les simulations prédisent la formation de milliers de galaxies satellites, alors qu’il n’en existe que quelques dizaines. Une grande partie de ces problèmes pourrait trouver une solution avec la prise en compte de tous les processus baryoniques encore très mal connus : formation d’étoiles et rétroaction associée, éjection et chauffage du gaz, de même que la formation de trous noirs super-massifs au centre de chaque galaxie, dont les effets de rétroaction pourraient aussi empêcher les baryons de s’accumuler dans les galaxies et de produire trop d’étoiles. Des hypothèses sur la matière noire ont aussi été testées dans les simulations, notamment celle d’une matière noire tiède, ou celle d’une matière noire avec section efficace de collision, constante ou dépendante de la masse des halos. Mais que sait-on de ces particules exotiques du point de vue des théories des particules élémentaires ?

Les candidats à la matière noire et les recherches de détection

33Le principal candidat à la matière noire froide est le neutralino, la particule super-symétrique la plus légère, issue de la désintégration des autres particules super-symétriques plus lourdes. C’est donc une particule stable, dont le temps de vie est d’un ordre de grandeur supérieur à l’âge de l’Univers.

34La théorie de super-symétrie est une extension du modèle standard des particules élémentaires, et suppose l’existence pour chaque particule de sa symétrique (boson pour fermion, et réciproquement). La particule la plus légère, le neutralino χ, a une masse de l’ordre de 100 GeV. C’est une combinaison linéaire des partenaires super-symétriques des bosons W/B de l’interaction faible et du partenaire du boson de Higgs.

35Par une heureuse coïncidence, appelée parfois « miracle du WIMP », l’abondance de particules d’interaction faible (de section efficace <σv> ~3 10−26 cm3/s) et de masse ~100 GeV correspond à ce qu’il faut pour produire la masse manquante aujourd’hui (25 % du contenu total de l’Univers). L’abondance n des particules présentes peu après le Big Bang est « gelée », c’est-à-dire que les particules se découplent lorsque leur taux d’interaction n <σv> devient de l’ordre de l’inverse de l’âge de l’Univers, ~1/Thubble. On peut calculer que leur densité relique aujourd’hui est Ω = 6 10−27 cm3/s / <σv> ~0,2.

Figure 6

Figure 6

À gauche : les trois familles de leptons et de baryons (trois saveurs de neutrinos/électrons et quarks), qui sont tous des fermions de spin ½, et les bosons médiateurs des forces, de spin 1, qui constituent le modèle standard des particules élémentaires. À droite : extension du modèle avec l’existence de trois neutrinos stériles de chiralité droite.

36Il y a toutefois un grand nombre – plusieurs dizaines – de candidats à la matière noire qui ont été proposés et sont étudiés. Parmi eux, les plus courants sont les neutrinos stériles, qui pourraient constituer de la matière noire tiède, avec une masse de l’ordre de 3-10 keV. La preuve de l’existence de ces neutrinos n’existe pas encore, mais ils possèdent des propriétés de symétrie qui pourraient compléter l’ensemble de façon satisfaisante. Leur chiralité est droite alors que les trois saveurs de neutrinos que nous connaissons ont une chiralité gauche. Il existe aussi des axions, de masse extrêmement faible (du micro- au milli-eV), imaginés pour résoudre le problème de violation de la symétrie CP (charge-parité) en chromo­dynamique quantique. Une tout autre hypothèse est celle de l’existence de plusieurs dimensions en dehors des quatre que nous connaissons de l’espace-temps. Ces dimensions sont compactifiées et minuscules, mais les champs de forces s’y propagent, et pour un observateur appartenant aux quatre dimensions, il apparaît toute une série de particules, dont la plus légère pourrait faire la matière noire. La quantification de ces masses provient du repliement périodique des extra-dimensions.

37La gamme de masses des candidats à la matière noire s’étale donc sur vingt ordres de grandeur. Leur section efficace d’interaction avec la matière ordinaire est mal connue, mais on espère qu’elle ne descend pas trop bas, jusqu’au point où seule la gravité aura une influence sur ces particules. Dès 1985, les physiciens et les astronomes ont entrepris la détection directe de ces particules hypothétiques. Des détecteurs de volume de plus en plus importants sont construits dans des tunnels (Modane, Grand Sasso, etc.) afin de filtrer les signaux des rayons cosmiques. Les détecteurs doivent être extrêmement purs, afin de ne pas déclencher eux-mêmes des événements par leur propre radioactivité. Actuellement, les meilleurs matériaux sont des gaz rares liquéfiés, comme le xénon, qui n’interagissent que faiblement ou pas du tout avec d’autres matériaux. Aucune détection convaincante n’a encore été annoncée et les limites supérieures de la section efficace d’interaction avec la matière ordinaire est de l’ordre de 10−45 cm2. Si on extrapole un gain d’un facteur 10 tous les deux ans, une détection à 10−50 cm2 peut-être envisagée en 2026. Si rien n’est trouvé d’ici là, il faudra abandonner la recherche et se résigner à l’idée que les particules restent dans le secteur noir, caché.

38Une autre méthode est aussi aujourd’hui fréquemment utilisée, c’est la détection indirecte. Les neutralinos hypothétiques se concentrent dans le Soleil ou bien au centre de la Galaxie, et leur annihilation donnerait lieu à d’autres particules comme des neutrinos ou des photons. Les rayons gamma de l’annihilation sont ardemment recherchés par les télescopes gamma dans l’espace, ou même par les photons visibles qu’ils produisent à leur entrée dans l’atmosphère, par les gerbes de particules qui émettent de la lumière par effet Tcherenkov. Les neutrinos sont recherchés par des télescopes utilisant d’énormes volumes d’eau ou de glace (Super-K, Amanda, IceCube, Antares, etc.). Jusqu’à aujourd’hui, les signaux détectés ont toujours pu être expliqués par un phénomène astrophysique à haute énergie (pulsars, trous noirs actifs).

39Comme le décrit très bien un proverbe chinois attribué à Confucius, « attraper un chat noir dans l’obscurité de la nuit est la chose la plus difficile qui soit, surtout s’il n’y a pas de chat ». Et s’il n’y avait pas de WIMPs ? L’alternative d’une modification de la loi de gravitation a toujours été évoquée depuis des dizaines d’années (Finzi, 1963 ; Milgrom, 1983), mais elle a pris plus de consistance et a été l’objet de développements dans de nombreuses directions depuis la découverte de l’énergie noire (Clifton et al., 2012). À ce jour, aucune théorie n’a réussi à résoudre tous les problèmes, et les formalismes proposés ont souvent des instabilités internes. Dans ce qui suit, nous allons considérer uniquement la modification de la gravité comme alternative à la matière noire, et les éventuelles contraintes que peuvent apporter les galaxies.

Gravité modifiée : l’hypothèse « MOND » et la dynamique des galaxies

40En 1983, Mordehai Moti Milgrom a proposé une modification de la loi de gravitation qui s’est révélée reproduire remarquablement toutes les courbes de rotation des galaxies, qui n’étaient pourtant pas bien connues à l’époque. Il propose de modifier la loi de Newton uniquement en champ faible, lorsque l’accélération a (= GM/r2 à la distance r d’une masse ponctuelle M) devient inférieure à une valeur universelle a0 = 1,2 10−10 m/s2, soit de l’ordre de 10−11 la pesanteur terrestre. On peut ainsi distinguer deux régimes extrêmes : soit le régime newtonien, lorsque >> a0 – alors il n’y a aucune modification et on retrouve l’accélération de Newton a = a; soit a << a0, c’est alors le régime MOND (MOdified Newtonian Dynamics), où l’accélération varie comme la racine carrée de celle de Newton a = (a0 aN)1/2. Asymptotiquement, en bordure des galaxies, lorsque l’accélération est faible, la force va décroître en 1/r et non en 1/r2, ce qui justifie de la vitesse de rotation constante des galaxies dans ce régime. En 2004, Bekenstein a proposé une théorie covariante TeVeS faisant intervenir des champs scalaire, vectoriel et tensoriel pour remplacer la relativité générale en champ faible. Son formalisme permet de reproduire le phénomène de lentille gravitationnelle.

41Ce qui est remarquable dans l’hypothèse MOND est qu’elle explique non seulement les vitesses plates très loin du centre des galaxies, mais aussi les vitesses qui montent encore pour les galaxies naines, ou qui descendent pour les galaxies massives, à cause de leur bulbe et de leur grande concentration de masse (fig. 7). Casertano et van Gorkom avaient déjà noté en 1991 que la fameuse « conspiration » entre matière visible et matière noire, pour donner la même vitesse de rotation plate, n’était pas toujours la règle. Si le régime est newtonien au centre et MOND au bord des galaxies géantes, comme la Voie lactée, MOND domine déjà au centre des galaxies naines, qui sont un vrai laboratoire pour tester la matière noire.

Figure 7

Figure 7

Modélisation des courbes de rotation observées (symboles et barres d’erreur) en gravité modifiée pour une galaxie naine (à gauche) et géante (à droite). Les contributions du gaz et des étoiles en gravité newtonienne sont indiquées. La courbe pleine ne prend en compte que ces deux composants et applique la gravité modifiée de MOND. Cette dernière rend compte de ces situations variées où la masse manquante est présente dès le centre (naine de gauche) ou seulement au bord (géante de droite).

42Est-ce que la dynamique des galaxies, leur stabilité, leur évolution – par la formation de spirales et de barres – pourraient discriminer entre matière noire et gravité modifiée ?

43Comme nous l’avons décrit au début de cette leçon, les halos de matière noire s’étaient imposés dans les années 1970 grâce à leur rôle de stabilisateurs des disques de galaxies. Les disques en régime MOND vont-ils être stables ? Alors que ces disques sont désormais complètement autogravitants, la loi de la gravité n’est plus linéaire, mais croît comme la racine carrée de la masse. Il est difficile d’estimer tous ces effets d’instabilité non linéaire analytiquement, et seules des simulations numériques peuvent trancher.

44Les simulations numériques permettant de comparer les modèles de gravité modifiée avec le modèle standard sont faites avec les mêmes conditions initiales pour les baryons : densité et vitesses. Ces dernières sont calculées pour être en équilibre avec MOND. En gravité newtonienne est alors rajoutée la distribution de matière noire requise pour obtenir les mêmes vitesses. Dans ces simulations, une barre apparaît plus vite, mais disparaît aussi plus vite dans MOND ; en moyennant sur tous les types de Hubble et les fractions de gaz variables, la fréquence des barres est comparable pour les deux modèles, qui ne peuvent être séparés.

Figure 8

Figure 8

Quelques simulations de la dynamique des galaxies en gravité modifiée MOND : a) galaxie primordiale riche en gaz et formation de grumeaux persistants ; b) interaction entre deux galaxies de masse comparable, et formation de queues de marée semblables à celles des Antennes, dont la photo est représentée à gauche ; c) formation de naines de marée lors de la fusion majeure entre deux galaxies (Tiret et Combes, 2007, 2008 ; Combes, 2014).

45Les interactions et les fusions de galaxies pourraient peut-être départager les deux modèles. Lors de l’interaction entre deux galaxies, les déformations par effet de marée créent une friction dynamique qui ralentit le mouvement relatif des deux galaxies. Le moment angulaire orbital est transféré dans les parties externes. Les halos de matière noire absorbent une grande partie de ce moment angulaire et favorisent les fusions rapides de galaxies. Est-il possible de reproduire avec MOND les morphologies et les cinématiques des galaxies en interaction observées ? Les simulations répondent positivement (fig. 8b) tout en mettant en évidence de grandes différences de rapidité de fusion. Alors que deux galaxies à disque en orbite directe et coplanaire, et dont l’énergie orbitale correspond à un passage juste parabolique, n’ont besoin que d’un tour pour fusionner, cela peut prendre cinq à dix fois plus de temps en gravité modifiée. Le nombre de systèmes en coalescence pourrait alors lever la dégénérescence entre les deux modèles. Mais, dans les observations, il est très difficile de connaître le nombre de fusions entre galaxies. C’est le nombre de paires qui est recensé, avec des flambées de formation d’étoiles, lorsque celles-ci sont voisines du péricentre. Malheureusement, la dégénerescence subsiste : un modèle prédit beaucoup de fusions rapides, l’autre peu de fusions mais plus lentes, et le résultat observationnel est le même, car le nombre de paires de galaxies en flagrant délit de fusion est proportionnel au produit du nombre de fusions par leur durée de vie.

46Un autre effet lié à la faible friction dynamique dans le régime MOND, en l’absence de halo de matière noire, est la formation des bulbes. Les sphéroïdes se forment par fusion de systèmes plus petits, non seulement lors de la fusion de galaxies, mais aussi lorsque des grumeaux se forment dans le gaz interstellaire par instabilité. C’est ce qui se passa au début de l’Univers : les galaxies étaient beaucoup plus riches en gaz qu’aujourd’hui. Ce gaz devient instable et s’effondre en gros grumeaux, dont la masse peut atteindre 10 % de celle de la galaxie. En présence de matière noire, ces grumeaux dans lesquels se forment de jeunes étoiles spiralent vers le centre, avant même que les processus de rétroaction n’aient eu le temps de les disperser. Ils forment alors un bulbe au centre de la galaxie. La grande abondance de bulbes prédite ainsi pose problème pour les observations de galaxies sans bulbe aujourd’hui. Le problème se résout naturellement par la longue durée de vie des grumeaux en gravité modifiée, sans matière noire (fig. 8a).

47Enfin, la formation des naines de marée, lors de l’interaction de deux galaxies géantes, représente peut-être le meilleur test des divers modèles. Ces galaxies naines se forment par effondrement du gaz dans les queues de marée (fig. 8c). Ces dernières ne peuvent contenir qu’une quantité infime de matière noire, car elles sont formées à partir du gaz et des étoiles jeunes dans le disque mince des galaxies. Le modèle standard prédit donc l’existence de naines avec des courbes de rotation qui décroissent de façon képlérienne à grande distance. La mesure n’a pu être faite que dans le cas de trois naines de marée, et les courbes mesurées avec le gaz d’hydrogène en radio sont plates. Ce sont des observations difficiles à faire, vu la faible masse de gaz en question, et entachées d’incertitudes sur l’inclinaison et les effets de projection dans ces galaxies perturbées. Plus de statistiques sont requises pour pouvoir trancher. Les courbes plates sont expliquées naturellement par MOND et requièrent l’existence de baryons noirs, sous forme de gaz d’hydrogène froid dans le cas du modèle standard.

Les astronomes savent-ils de quoi ils parlent ?

48Résumons en quelques lignes l’état de nos connaissances et, surtout, de notre ignorance. Le plus spectaculaire est peut-être que ce que nous voyons, les galaxies dont les étoiles émettent dans le visible, ne représentent que 0,3 % du contenu total de l’Univers. Plusieurs faits irréfutables (nucléosynthèse primordiale, anisotropies du fond cosmologique micro-onde, microlentilles, etc.) montrent qu’il existe de la matière baryonique invisible sous forme de gaz : nous ne savons pas encore quelle est la fraction de gaz très chaud ou de gaz très froid.

49La matière noire non baryonique doit représenter 25 % du total. Elle est composée de particules encore inconnues, en dehors du modèle standard. La masse d’une particule pourrait être comprise entre 10−6 eV (axions) et 1012 eV (WIMPs). Ces particules ont une interaction extrêmement faible avec la matière ordinaire, avec une section efficace bien plus faible que pour l’interaction faible. Elles sont recherchées depuis trente ans dans le monde entier.

50Un autre mystère, à peine mentionné ici, est celui de l’énergie noire, qui mobilise un grand nombre d’expériences et de téléscopes à la fois chez les physiciens des particules et chez les astronomes. Ce composant correspond aujourd’hui à 70 % du total. Les mesures de lentilles faibles, ou de supernovae lointaines, montrent que ce composant est compatible avec une constante cosmologique. Les expériences futures (Euclid, LSST, SKA) pourront déterminer avec plus de précision s’il s’agit vraiment d’une constante, ou bien si sa valeur varie en fonction du temps. Il pourrait alors s’agir d’un cinquième élément, la quintessence.

51En attendant, les simulations numériques, de plus en plus précises, ont mis en évidence les problèmes des modèles de matière noire pour la formation des galaxies. La solution se trouve peut-être dans la physique des baryons, du gaz que l’on appelle « gastrophysique », ce qui exige de mieux comprendre ces phénomènes intéressants que sont la formation des étoiles, des trous noirs super-massifs au centre des galaxies, et leur modération. Une alternative serait de faire appel à des modèles de gravité modifiée, étant donné que les effets de la matière noire et de l’énergie noire ne se font sentir que par des phénomènes gravitationnels. De nombreux modèles ont été proposés, qui pour l’instant ne donnent pas entière satisfaction. Un certain nombre d’entre eux postulent l’existence de dimensions supplémentaires de notre espace dans lesquelles les forces pourraient s’évader. Mais il est possible que nous soyons à l’aube d’une découverte décoiffante, qui nécessiterait une modification de notre façon de penser, de nos concepts. Après tout, il était aussi très difficile au début du xxe siècle de comprendre le postulat d’Einstein, selon lequel la vitesse de la lumière était indépendante du référentiel. Que la vitesse de la lumière soit la même pour un observateur qui se rapproche ou qui s’éloigne de sa source est vraiment contre-intuitif. Que de paradoxes n’en ont pas découlé !

52En conclusion de cette leçon inaugurale, j’aimerais remercier toutes les personnes qui ont contribué à faire de mes années de recherche un enchantement, tout particulièrement Pierre Encrenaz, qui m’a accueillie dans son laboratoire, m’a formée à la radio-astronomie et n’a pas cessé de m’encourager, en me faisant toujours confiance. J’ai eu le privilège de travailler, au sein de l’Observatoire de Paris, avec des collègues chercheurs et des étudiants brillants et passionnés, avec qui les programmes observationnels ou les simulations numériques étaient la plupart du temps un jeu exaltant et excitant, qui ont permis de nombreuses découvertes. En regardant derrière nous, on s’aperçoit combien les moyens de développer nos recherches ont progressé de façon exponentielle, aussi bien du côté des grands télescopes que des super-ordinateurs. Ceci permet une vue très optimiste du chemin qui se profile devant nous aujourd’hui : il est très probable que les milliards de galaxies qui vont bientôt être cataloguées vont nous aider à comprendre la formation de notre Univers et à résoudre les mystères dont j’ai parlé dans cette leçon. Je remercie aussi ma famille de m’avoir accompagnée dans cette aventure, tout en comprenant combien le temps de la recherche est extensif.

Bibliographie

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Annexes

Les enregistrements audio et vidéo de la leçon inaugurale sont disponibles sur le site du Collège de France : http://www.college-de-france.fr/​site/​francoise-combes/​inaugural-lecture-2014-12-18-18h00.htm

Notes

1 Jean-Claude Pecker, « L’astronomie au Collège de France », La Lettre du Collège de France, no 23, p. 50-56 : http://www.college-de-france.fr/site/jean-claude-pecker/L-astronomie-au-College-de-France.htm

Table des illustrations

Titre Figure 1
Légende Ensemble de courbes de rotation synthétiques, moyennes sur un grand nombre de galaxies à chaque luminosité (ou magnitude absolue MI). Le rayon en abscisse est normalisé au rayon optique. Au-delà de Ropt, les courbes de rotation sont obtenues en radio, avec la raie de l’hydrogène atomique à 21 cm. Le fait que les courbes soient encore plates dans ces parties externes, sans masse stellaire, confirme le besoin de matière noire.
Crédits Adapté de M. Persic et al. (1996).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4575/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 448k
Titre Figure 2
Légende Composition de l’Univers d’après les dernières déterminations de la mission Planck (à gauche) et détail de la matière ordinaire, les 5 % de baryons (à droite). Les étoiles des galaxies ne correspondent qu’à 6 % des baryons et le gaz très chaud dans les amas à 3 %. L’étude des absorbants dans la raie Lyman-α de l’hydrogène montre qu’environ 18 % d’entre eux pourraient se trouver sous forme de gaz ionisé dans les filaments cosmiques intergalactiques. On pense aussi qu’une grande partie des baryons pourrait se trouver dans un état tiède ou chaud (WHIM pour warm-hot intergalactic medium). Plus de la moitié est encore inconnue et devrait se trouver sous forme de gaz chaud ou froid.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4575/img-2.png
Fichier image/png, 125k
Titre Figure 3
Légende Exemples d’arcs gravitationnels dans les amas de galaxies, qui sont des lentilles fortes. À gauche, Abell 370, où le premier arc a été découvert par Soucail et al. (1987). À droite, CL0024+17, où se trouvent cinq images d’une galaxie de fond, bleue en forme d’anneau.
Crédits Images du télescope spatial Hubble (NASA/ESA).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4575/img-3.jpg
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Titre Figure 4
Légende Relation entre la masse baryonique Mb (somme de la masse d’étoiles et de gaz) et les vitesses de rotation dans les parties externes Vf pour les galaxies spirales (ronds bleu clair : galaxies dominées par le gaz, ronds bleu foncé : galaxies dominées par les étoiles). Les observations révèlent une corrélation Mb ~V4 (loi de Tully-Fisher baryonique) alors que la théorie de la matière noire CDM prédit une loi en V3, et surtout une masse baryonique bien supérieure dans les galaxies (fb est la fraction universelle de baryons = 17 %).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4575/img-4.jpg
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Titre Figure 5
Légende L’amas de galaxies Abell 520 est en fait le résultat d’une collision entre deux sous-amas. Sur l’image de gauche, les contours et la couleur bleue viennent de la masse totale déduite du cisaillement gravitationnel et la couleur rouge de l’émission X du gaz très chaud. Sur l’image de droite, la matière totale (essentiellement la matière noire) et les rayons X sont superposés en contours (bleus et rouges respectivement) sur une distribution lissée de toutes les galaxies visibles appartenant à l’amas. Parmi les quatre pics de masse totale (indiqués par des chiffres), le pic le plus prononcé (3) ne correspond pas aux galaxies de l’amas, mais à la masse de gaz chaud.
Crédits D’après Mahdavi et al. (2007) et Jee et al. (2012 et 2014).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4575/img-5.png
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Titre Figure 6
Légende À gauche : les trois familles de leptons et de baryons (trois saveurs de neutrinos/électrons et quarks), qui sont tous des fermions de spin ½, et les bosons médiateurs des forces, de spin 1, qui constituent le modèle standard des particules élémentaires. À droite : extension du modèle avec l’existence de trois neutrinos stériles de chiralité droite.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4575/img-6.png
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Titre Figure 7
Légende Modélisation des courbes de rotation observées (symboles et barres d’erreur) en gravité modifiée pour une galaxie naine (à gauche) et géante (à droite). Les contributions du gaz et des étoiles en gravité newtonienne sont indiquées. La courbe pleine ne prend en compte que ces deux composants et applique la gravité modifiée de MOND. Cette dernière rend compte de ces situations variées où la masse manquante est présente dès le centre (naine de gauche) ou seulement au bord (géante de droite).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4575/img-7.jpg
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Titre Figure 8
Légende Quelques simulations de la dynamique des galaxies en gravité modifiée MOND : a) galaxie primordiale riche en gaz et formation de grumeaux persistants ; b) interaction entre deux galaxies de masse comparable, et formation de queues de marée semblables à celles des Antennes, dont la photo est représentée à gauche ; c) formation de naines de marée lors de la fusion majeure entre deux galaxies (Tiret et Combes, 2007, 2008 ; Combes, 2014).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4575/img-8.jpg
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Auteur

Professeur au Collège de France, titulaire de la chaire « Galaxies et cosmologie »

© Collège de France, 2016

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