Tout ce qui nous entoure est fait de matière ordinaire

Ces objets ne se ressemblent pas et il faut regarder de très, très près pour leur trouver des points communs.

En effet, toute la matière de ces objets est constituée d’atomes dont la taille est d’environ 0,0000000001 m ! Les propriétés de la matière dépendent des types d’atomes et du nombre d’atomes de chaque type qui la constituent. L’eau par exemple est composée de molécules constituées par un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène.

Chaque atome est constitué d’un noyau, contenant un agrégat de protons et de neutrons, entouré d’électrons. Les propriétés des atomes et donc de la matière dépendent en particulier du nombre de protons et d’électrons. Ainsi un atome d’hydrogène contient 1 proton et 1 électron, un atome d’oxygène 8 protons et 8 électrons et un atome de fer 26 protons et 26 électrons.

Les atomes ne sont pas les briques élémentaires de la matière puisqu’ils sont constitués de particules plus petites. Les électrons sont à notre connaissance bien élémentaires mais ce n’est pas le cas des protons et des neutrons. Eux-mêmes sont formés de particules appelés quarks. Il faut deux quarks “up” et un “quark” down pour faire un proton et deux quarks “down” et un quark “up” pour faire un neutron. Et tout cela n’est pas si simple, ces quarks sont sans cesse en interaction dans les protons et les neutrons qui ressemblent plutôt à une soupe bouillonnante de particules.

L’électron, les quarks “up” et “down” forment la première famille des particules élémentaires. Ils sont la base de toute la matière qui nous entoure et nous constituent puisqu’ils composent les atomes.

Mais, pour que la famille soit complète, il faut ajouter une particule spéciale : le neutrino. C’est une particule discrète qui interagit très peu (elle peut traverser la Terre !) mais qui est très fréquente dans l’univers. Les réactions nucléaires dans le Soleil par exemple produisent énormément de neutrinos.

Les chercheurs ont découvert qu’il existe deux autres familles de particules élémentaires qui ressemblent en tout point à la première famille sauf que les particules qui les composent ont une plus grande masse (par exemple le muon est comme un électron mais avec une masse environ 200 fois plus grande). Ce tableau rassemble toutes les particules du Modèle Standard.

Et la matière noire dans tout ça, est-elle composée d’une de ces particules ? ou a-t-elle une nature différente ?

Il semble vraiment qu’il n’y a pas eu assez de particules ordinaires créées dans les premières secondes après le Big-Bang pour expliquer toute la masse que l’on détecte aujourd’hui. L’univers primordial nous a laissé comme témoin le rayonnement fossile, l’écho lumineux du Big-Bang. Si il y avait eu plus de protons et d’électrons, alors cet écho ne devrait pas ressembler à celui qu’on observe.

En étudiant les effets de la matière noire, nous connaissons certaines de ses propriétés : par exemple elle n’a pas de charge électrique et n’interagit vraiment pas beaucoup avec la matière ordinaire. Les particules qui correspondent le mieux à ce portrait-robot parmi les particules connues, celles qui sont dans le tableau, sont les neutrinos. Malheureusement leur masse est beaucoup trop faible pour expliquer toute la matière noire …

Si la matière noire est une particule, alors c’est une particule nouvelle que nous ne connaissons pas encore. Si tel est le cas, elle pourrait être produite comme les autres particules du Modèle Standard dans les collisions de protons du LHC (voir  la page accélérateurs pour en savoir plus). Ou alors il pourrait s’agir d’une nouvelle sorte de neutrino (voir la partie neutrinos). Les physiciennes et physiciens des particules la cherchent activement !

Pour vous donner une idée de la taille de ces particules, nous vous proposons une balade dans le monde de la matière, de l’infiniment petit à l’infiniment grand :  http://htwins.net/scale2/lang.html .

	L’interaction nucléaire forte Il s’agit de l’interaction de plus grande intensité comme son nom l’indique. C’est celle qui cimente les nucléons (les protons et les neutrons) dans les noyaux. C’est elle aussi qui confine les quarks à l’intérieur des nucléons et donne naissance à l’énergie nucléaire (1 gramme de carburant nucléaire = 1 tonne de dynamite). Elle agit sur une distance de 10-13 cm, elle est 100 fois plus forte que la force électromagnétique et n’agit que sur des particules qui contiennent des quarks comme le proton et le neutron.
	L’interaction électromagnétique Cette force, bien supérieure à la force de gravité, n’agit que sur les particules chargées, soit positivement comme les protons, soit négativement comme les électrons. Elle forme les atomes en attachant les électrons aux noyaux, mais elle ne s’arrête pas là. Elle soude les atomes en les obligeant à partager leurs électrons pour former les molécules. Elle pousse encore les molécules à se combiner à leur tour en de longues chaînes. La plus haute expression de ces chaînes est l’ADN qui est la base de la vie.
	L’interaction nucléaire faible C’est elle qui permet aux neutrons de se transformer en protons et vice versa quand les conditions s’y prêtent: lors de la radioactivité bêta, un neutron se désintègre en donnant naissance à un proton; un électron et un anti-neutrino sont alors émis. Elle agit sur toutes les particules élémentaires de matière connue. Bien que plus forte que la gravité, elle est 1000 fois plus faible que la force électromagnétique. Elle n’a d’influence que sur une distance de 10-16cm. C’est en 1896 que, par hasard, le physicien français Henri Becquerel découvrit ce processus de désintégration, sur une plaque photographique.
	L’interaction gravitationnelle Découverte au XVIIème siècle par Isaac Newton, cette force attractive agit sur toutes masses. Il s’agit de la plus faible des quatre forces de la nature mais aussi celle qui a la plus grande portée. Elle agit sur l’ensemble de l’Univers. L’intensité de cette force dépend de la masse de l’objet. Ce n’est qu’à l’échelle astronomique que la gravité se fait vraiment sentir, grâce aux énormes masses comme celle de la Terre (6×1027 grammes), du Soleil (1033 grammes), d’une galaxie (1044 grammes), d’un amas de galaxies (1047 grammes) ou de l’univers tout entier.

Pourquoi la balance utilisée par le marchand indique-t-elle des kilos ? C’est parce que les tomates tout comme les champignons sont attirés par la Terre, par une force qu’on appelle le poids. Du coup, elles appuient sur la balance qui les empêche de tomber.

La même quantité de légumes, sur la Lune, a un poids plus faible (car la gravité lunaire est plus faible que la gravité terrestre). Il faut donc bien distinguer la masse et le poids, même si dans la vie de tous les jours on a tendance à les confondre – parce qu’on va rarement faire son marché sur la Lune !

La masse, c’est ce qui décrit la quantité de matière, et elle se manifeste sous plusieurs formes :

1. Les objets dotés d’une masse attirent leur entourage, et ce d’autant plus que leur masse est élevée (c’est à cause de la masse de la Terre que nous sommes retenus au sol, c’est à cause de la masse du Soleil que la Terre est retenue en orbite autour du Soleil). Attention, un objet massif attire tout, même la lumière – voir ce qui est dit sur les lentilles gravitationnelles pour en savoir plus.
   
2. Les objets dotés d’une masse subissent une force gravitationnelle de la part de leur entourage, et ce d’autant plus que leur masse est élevée. Du coup : deux objets très massifs s’attirent beaucoup, un objet massif et un objet léger s’attirent moyennement, deux objets peu massifs s’attirent peu.
3. La masse est aussi responsable de l’inertie. Ça demande un effort de pousser une machine à laver posée sur un sol très glissant, ou sur des roulettes (un effort plus important que pousser un carton vide, par exemple). Ce n’est pas le poids de la machine qui rend la manipulation difficile, c’est sa masse. Un astronaute qui pousse une machine à laver en apesanteur dans la station spatiale internationale devra aussi forcer (et forcer davantage que pour pousser un gros carton vide)  – voir ce qui est dit sur les forces fondamentales pour en savoir plus.

Dans l’Univers, le moyen le plus simple pour estimer la masse des objets, c’est d’utiliser la première propriété : en observant le mouvement des corps, on peut en déduire la quantité de masse présente dans les environs, et même l’endroit où elle doit se trouver !

 

 

L’observation détaillée de nombreuses galaxies d’arrière-plan et la prise en compte de la matière visible permettent de reconstituer la distribution de matière noire. Ainsi, la vidéo ci-dessous montre la première carte 3D de la distribution de matière noire que les scientifiques ont créé en analysant les données du programme COSMOS de Hubble – la plus grande cartographie jamais produite par le télescope spatial Hubble. Cette vidéo offre une vue détaillée de la structure filamentaire de la matière noire.

Mesurer des vitesses avec la lumière

En astrophysique, on ne peut faire aucune mesure directe : pas de balance à étoiles ou pas de thermomètre à gaz inter-galactique. On doit se débrouiller avec la lumière que l’on reçoit !

Une mesure très importante, et parfois presque facile, est celle de la vitesse d’une galaxie sur la ligne de visée, c’est-à-dire dans l’axe observateur-source.

Pour mesurer cette vitesse, on utilise l’effet Doppler. C’est lui qui modifie le son de la sirène des pompiers : lorsque les pompiers s’approchent de nous le son de la sirène devient plus aigu, lorsqu’ils s’éloignent ils devient plus grave et ce d’autant plus que la vitesse du camion de pompier est rapide. En mesurant la hauteur du son de la sirène des pompiers dans la rue, il est possible de déduire la vitesse du camion. On peut utiliser cet effet aussi pour mesurer la vitesse des galaxies, mais au lieu d’utiliser les ondes sonores comme pour les pompiers, on utilise les ondes lumineuses.

Comment procède-t-on précisément ?  

• Sous certaines conditions, les éléments chimiques émettent de la lumière sous la forme d’un spectre lumineux. Une étoile ou une galaxie contient des éléments chimiques et émettent donc un spectre lumineux ;
• le spectre émis par un élément chimique contient des raies caractéristiques de cet élément. La position de ces raies sont connues exactement, elle correspond à la fréquence de la lumière émise. Cette position sert de référence. Une source (galaxie ou étoile) comportant cet élément chimique immobile par rapport à nous, présentera ces raies caractéristiques exactement à la position de cette référence ;
• le spectre d’une source (étoile ou galaxie) est mesuré ;
• si cette source est en mouvement par rapport à nous, les raies caractéristiques des éléments qu’elle contient seront décalées : comme pour la sirène des pompiers, leur fréquence perçue est modifiée ;
• on mesure l’écart entre la position observée et la position de référence ;
• on en déduit très simplement la vitesse de la source par rapport à nous avec la bonne formule mathématique.

Si la mesure est simple sur le principe, son interprétation est parfois délicate : la mesure faite est celle de la vitesse le long de l’axe observateur-source, mais la source peut bouger dans tous les sens !

Heureusement pour les cosmologistes, les galaxies suffisamment loin de nous ont un mouvement propre petit devant le mouvement d’expansion de l’espace qui les porte, on peut donc négliger ces déplacement latéraux et mesurer la vitesse de l’espace qui se dilate.

On connait aujourd’hui la vitesse de centaines de millions de galaxies, et ce nombre augmente régulièrement…

Cette vidéo vertigineuse n’est pas une simulation : les positions, couleurs, et formes de ces galaxies ont vraiment été mesurées. Et les futures générations, avec les télescopes LSST ou Euclid par exemple, vont faire vraiment beaucoup mieux encore !