Le modèle qui explique le mieux ce que nous savons de notre Univers et de sa formation est appelé « modèle standard ». Il repose au départ sur l’hypothèse d’une singularité appelée Big bang où toute la matière est contenue dans un très petit volume qui brutalement s’agrandit en créant l’espace au fur et à mesure de son expansion pour aboutir à l’Univers que nous pouvons à présent observer, les étoiles, les galaxies, etc. Toutefois, la théorie n’est pas parfaite et même si, nos outils évoluant, nombre de ses implications ont pu être validées par l’observation, il reste des points noirs, des interrogations et des lacunes. Ces anomalies, ces bizarreries qui ne « collent » pas avec le modèle sont-elles susceptibles de le remettre en cause ou bien sont-elles seulement la preuve que nous ne disposons pas encore de toutes les données ? Doit-on tout reprendre à zéro ou simplement nous armer de patience, le temps finissant par nous apporter les réponses indispensables ? Il est passionnant de se poser de telles questions mais, bien sûr,  seulement après avoir précisé ce que sont les plus importantes de ces anomalies.

Des étrangetés qui interpellent

   Après la découverte par Penzias et Wilson en 1964 du fond diffus cosmologique, la théorie du noyau originel, plus connue sous le nom de Big bang, s’imposa chez les scientifiques comme étant l’explication la plus vraisemblable de la formation de notre Univers, même s’il fallut par la suite introduire la notion « d’inflation » (accélération subite de l’expansion de l’Univers à ses débuts) qui semble, d’ailleurs, avoir été récemment validée par l’observation. Toutefois, l’astronome Zwicky (qui « inventa » les supernovas) jeta un pavé dans la mare dès les années 1930 en expliquant que les rotations des galaxies étaient beaucoup plus rapides que ne le prévoyait la théorie du Big bang ce qui fut confirmé bien plus tard par la communauté scientifique. La vitesse anormale de la rotation des galaxies n’est toutefois pas, comme on va le voir, la seule interrogation que les astronomes se posent à propos de ces structures : leur aspect, leur disposition et même leur composition interpellent aussi. Intéressons-nous d’abord à la question qui passionna Zwicky.

La trop grande vitesse de rotation des galaxies

   Comme on vient de le voir, c’est donc le Suisse Fritz Zwicky (1898-1974) qui souleva le problème de la vitesse de rotation des galaxies (il avait constaté l’anomalie dès 1933 et, à cette époque, avait émis l’hypothèse d’une matière intersidérale invisible pour l’expliquer). Il ne fut bien sûr pas écouté et c’est seulement dans

les années 1970 que l’Américaine Vera Rubin s’intéressa au problème et démontra que Zwicky avait raison : les étoiles en périphérie des galaxies ont une vitesse de rotation bien plus importante que ne le prévoit le modèle. L’explication pourrait en être la présence d’une matière « invisible » d’une masse pouvant aller jusqu’à 5 à 6 fois celle de la galaxie considérée. De ce fait, les étoiles observées ne se trouveraient alors plus en périphérie de la galaxie puisqu’entourées par de la matière invisible mais beaucoup plus proches du centre de l’ensemble ce que l’on ne peut évidemment pas voir en observation directe. Et voilà pourquoi ces étoiles tourneraient plus vite que prévu ! En 2008, les calculs furent affinés et ils ne souffrent aucune discussion : il y a bien anomalie puisque, alors que la théorie avance une vitesse de rotation maximale de 100 km/s, l’observation nous dit 3 fois plus (300 km/s environ). L’explication ? Le résultat de la présence de cette matière invisible, vite appelée matière noire.

   Problème : personne n’a jamais vu cette matière noire, ni même ne sait à quoi elle pourrait bien ressembler. On l’a introduite dans les calculs pour les valider, un point c’est tout. Pour un modèle « standard », cela ne fait pas tout à fait sérieux…

L’énigme des pulsars manquants

   Comme cela a déjà été expliqué dans le sujet dédié (mort d'une étoile), une étoile à neutrons est le stade ultime de la mort des grosses étoiles (celles faisant plus de 8 fois la masse du Soleil) après qu’elles se soient d’abord transformées en supernovas (certaines de ces étoiles, encore plus grosses, se transforment même directement en trous noirs). Une étoile à neutrons est toute petite : quelques dizaines de km de diamètre mais la matière y est hyperconcentrée (on dit que le poids de la tour Eiffel y tiendrait dans quelques grains de poussière). Beaucoup d’entre elles sont dotées d’un champ magnétique intense et, comme ces restes d’étoiles tournent rapidement sur eux-mêmes, leurs champs magnétiques peuvent être captés, à la manière de « phares » cosmiques, sous la forme de très brèves impulsions : on parle alors de pulsars. On comprend aisément que, si le rayonnement magnétique d’un pulsar est aligné sur le récepteur, à savoir la Terre, il est assez facile de l’identifier.

   Où trouve-t-on de grosses étoiles susceptibles d’avoir donné des pulsars ? Eh bien dans le centre de la galaxie où grouillent les étoiles massives. Sauf que

- pas de chance - les télescopes ne purent jamais mettre en évidence les dits-pulsars lorsqu’on les chercha. Normal, répondirent les spécialistes : entre le centre galactique et nous, il y a d’immenses nuages de poussière imperméables même aux rayons X. Bien. On se contenta de cette explication jusqu’à ce qu’un télescope en repère un, de pulsar, à une année-lumière du centre estimé. À cette occasion, on se rendit compte que les poussières n’étaient en réalité pas si opaques que ça… et que, décidément, il n’y avait vraiment pas de pulsars au centre de notre galaxie. L’explication ? Difficile à donner. Certains scientifiques évoquent l’antimatière (?), le trou noir central de notre galaxie appelé Sagittarius A ou, plus récemment… la matière noire qui, s’accumulant sur les pulsars, les ferait exploser en trous noirs… forcément invisibles. Toujours la matière noire  !

Le mystère des bulbes galactiques

   Encore les galaxies : décidément, il semble y avoir un problème avec elles dans le modèle standard ! Cette fois, on s’intéresse à leurs bulbes c'est-à-dire à leurs centres. En effet, la théorie stipule que les grandes galaxies sont le fruit de la fusion de galaxies plus petites qui s’agrègent progressivement. Et, là, les stimulations sont formelles : en pareil cas, à chaque nouvelle fusion, le bulbe de la nouvelle galaxie résultante doit s’accroître. Sauf que l’observation ne va pas dans ce sens. Les galaxies ont des bulbes centraux toujours plus petits que ce que l’on pourrait escompter et les deux-tiers d’entre elles n’ont même pas de bulbe du tout ! (étude en infrarouge de 2002 portant sur des milliers de galaxies). Plus encore, lorsque, avec le télescope spatial Hubble, on regarde très très loin – et donc dans le passé lointain de l’Univers – on s’aperçoit que ces premières galaxies si éloignées dans le temps et dans l’espace n’ont pas de bulbe, qu’elles ne sont que des amas d’étoiles jeunes organisées en différents blocs adjacents.

   Ces constatations sont si dérangeantes que les scientifiques essaient par tous les moyens de retoquer leur modèle en modifiant par exemple les températures notamment des gaz, la masse des galaxies… et les propriétés de la matière noire. Toujours elle. Le modèle standard, ici aussi, montre certaines limites.

L’alignement des galaxies naines

   Chaque grande galaxie est entourée de structures plus petites que l’on appelle des galaxies satellites. Notre galaxie, la Voie lactée, ne fait pas exception et elle

est effectivement entourée de quelques galaxies naines (comme les nuages de Magellan qui renferment quelques milliards d’étoiles) mais elles ne sont qu’une trentaine là où la théorie en prévoit plusieurs milliers. Phénomène encore plus surprenant : toutes ces galaxies se retrouvent alignées dans un plan relativement étroit autour la Voie lactée. Cette disposition étrange n’est pas isolée : nous savons à présent que l’on retrouve un agencement aussi particulier pour nombre de galaxies observées récemment. Quelle peut en être l’explication ? Pour certains scientifiques, c’est encore la matière noire qui expliquerait ces alignements spéciaux. D’autres commencent à se demander si ce ne sont tout simplement pas les lois de la physique newtonienne qu’il faudrait revoir : nous aurons l’occasion de revenir sur ce point de vue.

Les oscillations trop intenses des géantes rouges

   Une étoile géante rouge représente le stade par lequel passe une étoile moyenne comme le Soleil lorsqu’elle atteint la fin de sa vie. Beaucoup plus grosse que l’étoile d’origine, elle est alors aussi plus froide (donc rouge) précisément en raison de sa taille. Ces étoiles sont parfaitement identifiables dans notre galaxie et c’est l’étude systématique de plusieurs centaines d’entre elles qui attira l’attention des scientifiques. En effet, dans le disque galactique où elles se trouvent, elles « oscillent » légèrement de bas en haut à la façon d’un manège où les chevaux de bois montent et descendent.

   Je devrais plutôt dire « la théorie prévoyait qu’elles oscillent légèrement » parce que, en réalité, ce n’est pas le cas : l’amplitude est d’autant plus grande qu’elles sont éloignées du centre du disque galactique, jusqu’à deux fois plus que ce qui était prévu. Quelle pourrait-être l’explication de cette étrange observation ? On a avancé la présence des galaxies naines, notamment les nuages de Magellan, mais les calculs montrent que leur masse est trop faible. Les chercheurs ont alors proposé une particularité de la matière noire qui s’écraserait aux pôles de la galaxie et expliquerait donc les variations à l’équateur. Toujours cette matière noire dont on ne peut se passer…

D’autres étrangetés, encore

   Les anomalies que l’on vient d’évoquer sont plutôt troublantes et elles ne sont pas les seules. Depuis quelques années, on a mis en évidence d'autres phénomènes ou observations qui ont du mal à entrer dans le cadre du modèle standard. À moins, ici encore, d’invoquer cette fameuse matière noire…

* mise en évidence d’un étrange rayon X : c’est à l’occasion d’une banale étude des spectres lumineux de

plusieurs dizaines d’amas galactiques (pour en cataloguer la composition chimique) que le télescope de l’Agence Spatiale Européenne identifia un rayonnement ne correspondant à rien de connu. Après avoir cru à une erreur, les spécialistes se précipitèrent sur des enregistrements antérieurs… qui montrèrent effectivement les mêmes données passées alors inaperçues  ! Et si c’était la trace de cette matière noire que l’on cherche désespérément depuis des années et que, comme l’Arlésienne, on ne voit jamais ?

* des nuages de gaz trop lumineux : entre les galaxies stagnent d’immense nuages d’hydrogène plus ou moins ionisés et baignant par conséquent en lumière ultra-violette. Les scientifiques ont donc cherché à mesurer ce fond ultra-violet et à en identifier les responsables. Malheureusement, même en incriminant tous les objets susceptibles de former ce fond, notamment les quasars (très productifs en UV) qui sont les trous noirs centraux de certaines galaxies, on arrive à peine à 20% de ionisation. Et le reste ? Serait-ce… la matière noire car, selon certains modèles expérimentaux, elle serait capable d’aboutir à la formation d’ultra-violets ? On n’en sait pas plus.

* de bizarres émissions d’ondes radio à l’origine difficile à expliquer s’affichent parfois sur les détecteurs des scientifiques. Ils ressemblent  à l’émission de pulsars sauf qu’ici ils sont isolés, bien différents d'une répétition régulière de signaux. La piste pulsar a donc été écartée mais les astronomes sont à peu près persuadés - étant donné la similitude du signal unique avec ce que l’on sait de ces objets - qu’il s’agit quand même bien d’étoiles à neutrons. Plusieurs explications invérifiables pour le moment ont été avancées, la dernière en vogue évoquant une étoile à neutrons s’effondrant en trou noir central galactique à cause d’un surplus de… matière noire.

* les amas galactiques sont, pour certains, incompatibles avec l’évolution prévue par le modèle standard. On évoque ici les ensembles de centaines de galaxies (plusieurs centaines, parfois même des milliers) qui se sont formés assez tôt dans l’Univers, il y a environ 10 milliards d’années, à une époque où celui-ci était encore très jeune (il avait donc 3,7 milliards d’années). Pourtant, à ce moment lointain du passé, certains amas étaient déjà gigantesques alors qu’ils sont censés se construire progressivement, au fur et à mesure des fusions. Ces structures étant relativement stables dans le temps, on peut se poser la question : pourquoi si tôt ?

La matière noire et quoi d’autre ?

   On a vu que le modèle standard, s’il répond correctement à l’immense majorité des événements impliqués dans la construction et l’expansion de l’Univers, trouve tout de même quelques limites. Et pas des moindres. Pour combler ces « imprécisions », les théoriciens ont introduit une notion qui permet d’expliquer totalement notre environnement : la matière noire. Celle-ci explique les lacunes observées. Explication facile, diront certains.

   Cette matière inconnue n’est toutefois pas la seule énigme de notre astronomie actuelle. Prenons encore plus de recul et regardons cet Univers dans sa globalité :

on s’aperçoit alors que, non seulement il est en expansion mais que celle-ci s’accélère comme le démontrent les dernières observations ; il faut donc introduire une force répulsive s’opposant à la gravitation qui, elle, aurait spontanément tendance à faire se contracter l’Univers et se rapprocher les objets entre eux. C’est le rôle dévolu au corollaire énergétique de la matière noire baptisé énergie sombre (ou noire selon les auteurs). Et on a beau faire et refaire les calculs, de ces éléments et énergies cachées, il en faut beaucoup : toute la matière que nous connaissons (étoiles, planètes, galaxies, nuages de gaz, etc.) représente un peu moins de 4% tandis que la matière noire interviendrait pour 21% et l’énergie sombre, 75%  ! Disons-le autrement : 96% de l’Univers ne nous est pas accessible et nous est donc inconnu  ! On a parfois du mal à le croire et certains scientifiques ont vite franchi le pas. Si on ne voit pas cette matière noire, prétendent-ils, c’est pour la bonne raison qu’elle n’existe pas…

   Oui, mais comment alors expliquer les étrangetés dont nous venons de parler dans ce sujet : par exemple, la vitesse de rotation excessive des étoiles périphériques des galaxies ou la « danse oscillatoire » des géantes rouges ? D’autres modèles dits alternatifs viennent alors se substituer au modèle standard : des théories où les propriétés de la matière noire sont différentes , d’autres où elle n’existe pas.

   En effet, avancent certains chercheurs, si le modèle standard a tant de mal à expliquer certains phénomènes, c’est que la physique classique dont nous nous servons, celle de Newton, n’a plus cours dans ces domaines bien particuliers : il faut l’adapter et peut-être même la réinventer. C’est ce que propose, par exemple, le modèle MOND (MOdified Newtonian Dynamics ou Dynamique Newtonienne Modifiée) : ici, c’est la définition de la gravitation qui change. On se souvient que, dans la mécanique newtonienne, la gravitation est proportionnelle à l’accélération : dans la théorie MOND, cette gravitation varie selon l’échelle ; en cas de présence importante de matière, la gravitation suivrait parfaitement les lois de Newton mais, en cas de moindre quantité, l’accélération serait plus faible ce qui expliquerait les anomalies observées. De ce fait, plus besoin de matière noire, c’est la variation naturelle de la gravitation qui explique les phénomènes de vitesse de rotation trop élevée des étoiles périphériques des galaxies ou l’alignement des galaxies naines.

L’avenir départagera

   Les étrangetés de l’Univers dont nous venons d’évoquer les principales connues ne permettent pas au modèle standard actuellement en vigueur de leur

apporter des réponses totalement satisfaisantes. Signalons quand même que le modèle standard reste - de loin - le plus apprécié des scientifiques et cela bien qu’ on n’ait jamais pu isoler et identifier la matière noire. Toutefois, on a quand même pu indirectement l’observer  : l’effet de lentille gravitationnelle (dédoublement de l’image d’un objet par la courbure de l’espace en présence d’une masse importante) permet de calculer la masse d’après la théorie de la relativité générale et celle-ci ne correspond pas à la masse prédite, la différence étant attribuée à la matière noire. MOND ne peut expliquer les lentilles gravitationnelles mais prévient que ce n’est pas la masse qui est alors modifiée mais le champ gravitationnel. On le voit : il en faudra plus pour départager les différentes théories.

   De plus grands et plus précis outils d’observation vont bientôt entrer en fonction et il est probable que certaines des bizarreries évoquées se résoudront alors spontanément. La prochaine campagne du LHC, à la frontière franco-suisse, grand spécialiste de la chasse aux particules puisqu’il a mis en évidence le boson de Higgs, trouvera peut-être quelque chose se rattachant à la matière noire… Pour le moment, il faut patienter : dans le domaine scientifique, c’est toujours quand on s’y attend le moins que l’on est confronté aux surprises. Certaines de taille, parfois.

Sources :

1. Wikipedia France

2. Science et Vie, n° 1171, avril 2015

3. CNRS (http://www.cnrs.fr/)

4. Encyclopaedia Britannica

Images :

1. galaxie des Chiens de Chasse (sources : www.nasa.gov)

2. l'amas de Coma (sources : en.wikipedia.org)

3. vue d'artiste d'un pulsar (sources : zmescience.com)

4. grand nuage de Magellan (sources : astro-rennes.com)

5. nébuleuse de la montagne mystique (sources : qd9-test.obspm.fr)

6. répartition de la matière dans l'Univers (sources : www.podcastscience.fr)

7. lentille gravitationnelle Abell 3827 (sources : science-et-vie.com)

 (pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : modèle standard - Big bang - fond diffus cosmologique - Fritz Zwicky - matière noire - supernovas - étoiles à neutrons - trous noirs - pulsars - Sagittarius A - géante rouge - quasars - amas galactiques - expansion de l'Univers - modèle MOND - lentille gravitationnelle

(les mots en gris  renvoient à des sites d'information complémentaires)

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