La recherche de matière noire baryonique


Depuis les années 1990, les astronomes tentent d’observer directement les différents candidats proposés pour expliquer la matière noire baryonique afin d’estimer leur contribution.

Gliese 229B La première naine brune découverte en 1994 à l’observatoire du mont Palomar (le petit point lumineux un peu à droite du centre de chaque image). La naine brune, baptisée Gliese 229B, est en orbite autour d’une naine rouge (à gauche) et se trouve à environ 19 années-lumière de la Terre. L’image de gauche provient de l’observatoire du mont Palomar, celle de droite fut prise en 1995 par le télescope spatial. Crédit : S. Kulkarni/Caltech/D. Golimowski/JHU/STScI/NASA

Les naines rouges

Jusque dans les années 1990, les télescopes terrestres étaient incapables de confirmer l’importance des naines rouges du fait de la turbulence atmosphérique. Leurs images étaient peu lumineuses et floues et ressemblaient à des galaxies, ce qui rendait leur étude impossible.

Avec l’avènement du télescope spatial Hubble, il devint possible d’observer des naines rouges cent fois plus faibles qu’auparavant et de les différentier des galaxies. Des observations furent alors menées dans des zones du ciel choisies de manière aléatoire et montrèrent que les naines rouges n’étaient pas aussi abondantes qu’on ne l’imaginait. Leur masse totale ne représentait qu’environ 10 pour cent de celle de la Galaxie.

D’autres observations concentrées sur un amas globulaire montrèrent que le nombre de naines rouges de masse supérieure à un cinquième de celle du Soleil était très grand, avec à peu près une centaine de naines rouges pour une étoile de type solaire. Mais ces observations montrèrent également qu’il n’y avait pas de naine rouge de masse inférieure. La masse limite de formation des étoiles n’est donc probablement pas de huit pour cent de celle du Soleil, comme le prévoyaient les modèles théoriques, mais plutôt d’environ vingt pour cent.

En tout cas, il ressortait de ces observations que les naines rouges ne formaient qu’une très faible fraction de la matière noire dans les halos de galaxies, de l’ordre de six pour cent.

Les naines brunes

Les naines brunes n’émettent guère de lumière et sont donc pratiquement impossibles à détecter, même dans le voisinage du Soleil. Néanmoins, juste après leur formation, ces étoiles sont soumises à une phase de contraction qui dure quelques centaines de milliers d’années. Pendant cette période, elles libèrent une grande quantité d’énergie gravitationnelle et peuvent donc émettre un rayonnement.

Il va sans dire que les effets de la turbulence atmosphérique empêchent toute observation avec un télescope terrestre classique. C’est ainsi un système d’optique adaptative qui détecta la première naine brune en 1994, une découverte rapidement confirmée par le télescope spatial. Cette naine brune, baptisée Gliese 229B, forme avec une naine rouge un système binaire situé à 19 années-lumière. La masse de la naine brune est entre 20 et 50 fois plus grande que celle de Jupiter et sa luminosité est 100.000 fois plus faible que celle du Soleil. Son atmosphère est quant à elle semblable à celle de Jupiter, avec en particulier une grande abondance de méthane.

Cette découverte était très importante car elle montrait que les naines brunes existaient réellement. Depuis lors des programmes d’observation comme 2MASS (Two Micron All Sky Survey) et SDSS (Sloan Digital Sky Survey) et la mission spatiale WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) ont détecté des centaines de naines brunes.

Malgré ces observations, la contribution des naines brunes à la matière noire est encore difficile à évaluer, elle est en tout cas assez faible, comme l’a montré une autre technique utilisée pour étudier la matière noire : l’effet de microlentille gravitationnelle.

Les microlentilles gravitationnelles

Plutôt que d’étudier directement un type donné de candidat au titre de matière noire, il est également intéressant d’affiner notre connaissance de cette masse cachée par d’éventuels effets indirects. Les années 1990 ont ainsi vu le développement d’une technique destinée à détecter indirectement la matière noire présente dans le halo de notre Galaxie.

Cette méthode repose sur le phénomène de lentille gravitationnelle. Celui-ci se produit lorsque deux corps sont alignés sur la même ligne de visée. Comme le montre la relativité générale, le corps le plus proche peut alors dévier et concentrer les rayons lumineux du corps plus lointain. Le résultat pour un observateur terrestre est une forte et soudaine augmentation de la luminosité apparente du corps le plus éloigné.

Ce phénomène peut être utilisé pour détecter des objets sombres dans le halo de notre Galaxie. En effet, ces objets ne sont pas fixes mais se déplacent lentement. Si par hasard l’un d’entre eux passe exactement entre nous et une étoile plus éloignée, l’intensité apparente de cette dernière augmentera fortement. Ainsi, par exemple, si la lumière d’une étoile située dans l’un des Nuages de Magellan voit son éclat apparent augmenter temporairement, il est possible que cela soit dû au passage d’un objet sombre sur sa ligne de visée.

Évidemment, une telle variation de luminosité peut aussi être causée par un phénomène cataclysmique du type nova. Il est cependant possible de différentier les deux situations en observant l’amplification dans deux longueurs d’onde différentes. En effet, les variations de luminosité dues à une lentille gravitationnelle sont indépendantes de la longueur d’onde considérée, alors que les variations dues à un changement au niveau de l’étoile en dépendent.

L’observation d’un effet de lentille gravitationnelle ne fait pas que prouver l’existence d’objets sombres dans le halo. La durée et l’amplitude du phénomène peuvent nous apporter de nombreuses données comme la vitesse, la distance et la masse du corps.

La principale difficulté réside dans le fait que la probabilité du phénomène est extrêmement faible. Pour avoir une chance raisonnable d’en détecter un, il faut donc observer simultanément un très grand nombre d’étoiles situées hors du halo. Ceci est heureusement possible dans la direction des Nuages de Magellan. Il est également intéressant d’observer la région du bulbe galactique, ce qui permet de détecter des corps sombres dans le disque galactique plutôt que dans le halo.

La recherche de lentilles gravitationnelles

Les années 1990 virent la mise en route de plusieurs programmes de détection de lentilles gravitationnelles dans la Galaxie. On peut citer en particulier l’expérience EROS entre 1990 et 2003, la collaboration MACHO entre 1993 et 1999, suivie de SuperMACHO depuis 2001, le project OGLE qui continue depuis 1992 et la collaboration MOA depuis 1998.

Ces programmes d’observation n’ont pas encore donné de valeurs moyennes très précises du fait de la rareté des évènements de microlentille gravitationnelle. Ils excluent en tout cas la matière noire baryonique comme l’explication principale de la masse cachée. Ils semblent pour l’instant indiquer que les corps formés de baryons ne représentent au maximum que 20 pour cent de la masse du halo galactique.

La conclusion de ces observations est que la matière noire baryonique ne constitue qu’une faible fraction de la matière noire totale des galaxies et de l’Univers, un résultat en accord avec les observations du satellite WMAP qui ont montré que la matière baryonique (lumineuse ou noire) ne représente que 17 pour cent de la matière totale présente dans l’Univers. Une autre explication est donc nécessaire pour rendre compte de cette masse cachée : la matière noire exotique.


Page mise à jour le 28 août 2017 par Olivier Esslinger