Patricia Burchat nous éclaire sur la matière noire

En tant que Physicienne des particules, j'ai étudié les particules élémentaires et comment elles intéragissent à leur niveau le plus fondamental. Pendant la plus grande partie de ma carrière de chercheur j'ai utilisé les accélérateurs de particules, tel que l'accélérateur d'électrons de l'Université de Stanford, juste au dessus de la route, pour étudier les choses à l'échelle la plus réduite. Mais plus récemment, j'ai tourné mon regard vers l'univers à l'échelle la plus large. Car, comme je vais vous l'expliquer, les questions qui relèvent de la plus petite échelle et de la plus grande sont en fait très liées. Je vais donc vous raconter notre vue de l'univers du 21ième siècle, de quoi est-il composé et quelles sont les grandes questions des sciences physiques -- au moins une partie de ces grandes questions.

Donc récemment, nous nous sommes rendus compte que la matière classique de l'univers -- et par classique j'entends vous, OK: moi, les planètes, les étoiles, les galaxies -- la matière classique représente seulement un petit pourcentage du contenu de l'univers. Presque un quart ou approximativement un quart de la matière de l'univers, demeure invisible. Par invisible j'entends, qui n'absorbe aucune onde du spectre électromagnétique. Elle n'émet aucune onde dans le spectre électromagnétique. Elle ne réfléchit rien. Elle n'interagit pas avec le spectre électromagnétique, qui constitue notre outil de détection. Elle n'interagit, en aucune manière. Comment savons-nous alors qu'elle est là? Nous le savons de par ses manifestations gravitationnelles. En réalité, cette matière noire possède la suprématie des effets gravitationnels dans l'univers à une large échelle, et je vais en montrer la preuve.

Qu'en est-il du reste du camembert? Le reste du camembert est une substance très mystérieuse qu'on appelle l'énergie noire. On va voir ça un peu plus tard, d'accord. Ok pour maintenant, revenons à la preuve de l'existence de la matière noire. Dans ces galaxies, particulièrement dans une galaxie en spirale comme celle là, la majorité de la masse des étoiles est concentrée au centre de la galaxie. Cette masse gigantesque formée par toutes ces étoiles tient les étoiles en orbite circulaire autour de la galaxie. Nous avons donc ces étoiles qui tournent en cercle comme ça. Comme vous pouvez l'imaginer, même si vous ne connaissez pas la physique -- c'est intuitif -- les étoiles les plus proches de la masse, au centre, vont tourner à une vitesse plus grande que celles qui en sont éloignées, d'accord.

Par conséquent ce à quoi on devrait s'attendre, si on mesure la vitesse orbitale des étoiles, c'est qu'elle devrait être plus faible en périphérie qu'au coeur. En d'autres termes, si on mesure la vitesse en fonction de la distance -- c'est le seul moment où je vais montrer un graphique, d'accord -- nous devrions la voir chuter avec la distance qui augmente en partant du centre vers l'extérieur de la galaxie. Mais quand ces mesures ont été réalisées, ce qu'on a trouvé à la place, c'est que la vitesse restait fondamentalement constante, quelque soit la distance. Si elle est constante, ça signifie que les étoiles à l'extérieur, ici, ressentent les effets de la gravitation d'une matière que nous ne voyons pas. En fait, cette galaxie ainsi que toutes les autres semblent être contenues dans un nuage de matière noire invisible. Et ce nuage de matière est beaucoup plus sphérique que les galaxies elles-mêmes, et il s'étend sur une échelle plus large que la galaxie. Ainsi on voie la galaxie et on se focalise là-dessus, mais c'est en fait un nuage de matière noire qui commande la structure et la dynamique de cette galaxie.

Les galaxies elles-mêmes ne sont pas semées au hasard dans l'espace; elles ont tendance à se rassembler en groupe, en amas. Et voici un exemple d'un très fameux amas: l'amas de Coma. Et il y a des milliers de galaxies dans cet amas. Ce sont les choses blanches, floues, elliptiques ici. Donc ces amas de galaxies -- si on prend une photo maintenant, et une dans dix ans -- elles seront identiques. Mais ces galaxies en réalité se déplacent à une vitesse extrêmement rapide. Elles tournent dans ce potentiel gravitationnel autour de cet amas, d'accord. Donc toutes ces galaxies se déplacent. Nous pouvons mesurer la vitesse orbitale de ces galaxies, pour estimer la masse de cet amas.

Et là encore, ce que nous avons trouvé, c'est une masse bien supérieure à celle attendue en comptabilisant les galaxies que nous voyons. Ou bien si nous regardons dans d'autres parties du spectre électromagnétique, nous observons qu'il y a aussi beaucoup de gaz dans cet amas. Mais ça ne peut pas être pris en compte dans la masse. En réalité, les amas possèdent dix fois plus de masse sous forme de cette matière invisible ou matière noire que celle obtenue en comptabilisant la matière classique, OK. Ça serait bien si nous pouvions voir cette matière un peu plus directement. Je place juste cette grosse bulle bleue là-dessus, afin de vous rappeler qu'elle est là. Peut-on la voir de manière plus visuelle? Oui.

Alors donc laisse moi vous y guider. Donc voici un observateur: Ça pourrait être un œil; ça pourrait être un télescope. Et supposons qu'il y ait une galaxie par là bas dans l'univers. Comment percevons-nous cette galaxie? Un rayon de lumière quitte la galaxie et voyage à travers l'univers pendant peut-être des milliards d'années avant qu'il n'entre dans le télescope ou dans votre œil. Maintenant, comment peut-on en déduire où se trouve cette galaxie? Eh bien, nous pouvons le déduire grâce à la route empruntée par le rayon alors qu'il entre dans notre œil, n'est-ce pas? Disons, le rayon de lumière emprunte cette voie; la galaxie doit être ici, OK. Maintenant, supposons que je place au milieu un amas de galaxies -- et n'oubliez pas la matière noire, d'accord. Maintenant, si on considère un rayon de lumière différent, un qui part comme ça, nous devons désormais prendre en considération ce qu'Einstein avait prédit quand il a développé la relativité générale. A savoir que le champ gravitationnel, dû à la masse, va dévier non seulement la trajectoire des particules, mais va dévier aussi la lumière elle-même.

Par conséquent le rayon de lumière ne continuera pas en ligne droite, mais sera plutôt courbé avant de rejoindre votre oeil. A quel endroit l'observateur va-t-il voir la galaxie ? Vous pouvez répondre? En haut, c'est ça! On extrapole, et on voit la galaxie en haut ici. Y a t-il encore un autre rayon de lumière qui pourrait, à partir de cette galaxie, arriver dans l'œil de l'observateur? Oui, super. Je vous vois faire des gestes vers le bas comme ça. Un rayon de lumière va donc pouvoir aller vers le bas, se courber, repartir pour rejoindre l'oeil de l'observateur, et l'observateur voit un rayon de lumière ici.

Maintenant, prennons en compte le fait que nous vivons dans un univers en 3 dimensions, OK, un espace tri-dimensionnel. Y a t-il encore d'autres rayons de lumière qui pourraient atteindre l'œil? Oui! Les rayons reposeraient -- j'aimerais le voir -- ouais, sur un cône. Ainsi il y a tout un ensemble de rayons de lumière qui forment un cône qui vont tous être courbés par l'amas (de galaxies) et qui vont atteindre l'œil de l'observateur. Si un cône de lumière arrive dans mon œil, qu'est ce que je vois? Un cercle, un anneau. Il est appelé l'anneau d'Einstein -- Einstein l'avait prédit, OK. Maintenant, ca sera un anneau parfait si la source, le déflecteur, et le globe oculaire, dans notre cas, sont tous parfaitement alignés. S'ils sont légèrement de biais, nous verrons une image différente.

Maintenant, vous pouvez faire une expérience ce soir après la réception, pour découvrir à quoi ressemble cette image. car il s'avère qu'il existe une sorte de lentille que nous pouvons concevoir, qui présente la forme idéale pour produire ce genre d'effet. On appelle ça une lentille gravitationnelle (ou mirage gravitationnel). Et alors voici votre outil, OK. (Rires). Mais bon ignorons la partie supérieure. C'est sur la base que je veux que vous vous concentriez, d'accord. En fait, chaque fois qu'on casse un verre à vin à la maison, Je récupère la base, l'amène à l'atelier. On le lime, et j'obtiens une lentille gravitationnelle, OK. Donc, elle a la forme idéale pour produire l'effet lentille. Et donc la prochaine étape nécessaire pour votre expérience, c'est de récupérer une serviette de table. J'ai récupéré un morceau de papier graphique; Je suis physicienne. (Rires) Bon, une serviette de table. Tracez au centre une petite galaxie. Et maintenant placez la lentille sur la galaxie, et qu'est ce qu'on trouve, on observe un anneau, l'anneau d'Einstein. Maintenant, déplaçons la base sur le côté, et l'anneau se sépare en arcs, d'accord. Et vous pouvez la placer au dessus de n'importe quelle image. Sur le papier graphique, vous pouvez observer comment toutes les lignes ont été déformées. Et là encore, c'est l'exacte modélisation de ce qui se passe avec la lentille gravitationnelle.

D'accord mais la question c'est: est-ce qu'on voit ça dans notre ciel? Voyons nous des arcs dans le ciel quand on regarde, disons, vers un amas de galaxies? Et la réponse est: oui. Voici une image qui nous provient du téléscope spatial Hubble. La plupart des images que vous avez vu précédemment viennent du télescope spatial Hubble. Avant tout, les galaxies dorées -- celles-ci sont dans l'amas de galaxies. ce sont celles qui sont à l'intérieur de cette mer de matière noire qui causent la courbure de la lumière et qui produisent dans la pratique, ces effets d'optique, ou mirages, des galaxies en arrière-plan. Donc les raies que vous voyez, toutes ces raies, ne sont en fait que les images déformées des galaxies qui sont bien au-delà.

Ce qu'on peut donc faire, en s'appuyant sur l'ampleur des déformations qu'on voie sur ces images, c'est de calculer quelle est la masse qu'il doit y avoir dans cet amas. Et c'est une masse faramineuse. Et puis, vous pouvez dire à vue d'œil, en regardant, que ces arcs ne sont pas centrés sur les galaxies; ils sont centrés sur des structures plus étirées. Et c'est ça la matière noire dans laquelle l'amas de galaxies est embarquée, OK. C'est ce qu'il y a de plus approchant d'une observation de la matière noire à l'œil nu, ou au moins de ces effets.

Bon, faisons un petit récapitulatif pour voir si vous suivez. Donc les preuves que nous avons qu'un quart de l'univers est de la matière noire -- cette substance d'attraction gravitationnelle -- c'est que dans les galaxies, la vitesse avec laquelle les étoiles orbitent autour des galaxies est bien trop importante; elles sont forcément entourées de matière noire. La vitesse avec laquelle les galaxies elle-mêmes orbitent autour de leurs amas est bien trop importante; elles sont forcément entourées de matière noire. Et nous observons ces effets de lentille (ou mirage) gravitationnelle. Ces déformations, qui affirment encore, que les amas sont embarqués dans la matière noire.

Bien. Donc maintenant, passons à l'énergie noire. Donc, pour appréhender la preuve de l'existence de l'énergie noire, nous devons aborder quelque chose dont Stephen Hawking a fait référence dans la session précédente. C'est le fait que l'Espace est en expansion. Ainsi si on imagine un morceau de notre univers infini, OK, voici donc quatre galaxies en spirale, OK. Et imaginez qu'on place des appareils d'enregistrement, chaque ligne ici correspond donc à un appareil d'enregistrement -- horizontalement et verticalement - dans le but de mesurer où sont les choses. Si on pourrait faire ça, ce que nous trouverions c'est que chaque jour passé, chaque année passée, chaque milliard d'années passées, eh bien, la distance entre les galaxies augmente. Et non pas, parce que les galaxies s'éloignent les unes des autres dans l'espace; elles ne se déplacent pas forcément dans l'espace. Mais elles s'éloignent les unes des autres parce que l'espace lui-même s'accroît, OK. Voilà ce que ça signifie, expansion de l'univers ou de l'espace. Donc elles s'écartent vers le lointain.

Maintenant, ce que Stephen Hawking a aussi mentionné, c'est qu'à la suite du Big Bang, l'espace est parti en expansion à un rythme très rapide. Mais comme de la matière, exerçant des forces gravitationnelles se trouve être à l'intérieur de l'espace, celui-ci a tendance à ralentir sa propre expansion, OK. L'expansion ralentit donc avec le temps. C'est pourquoi au cours du dernier siècle, les gens ont débattu pour savoir si l'expansion de l'espace continuerait perpétuellement, ou bien s'il ralentirait, vous voyez, s'il va ralentir, mais continuer à l'infini. Ralentir et freiner asymptotiquement, et s'arrêter ou bien ralentir, s'arrêter, puis revenir en arrière pour se contracter à nouveau. Aussi, il y a un peu moins d'une décennie, deux groupes de physiciens et d'astronomes se sont mis à mesurer la vitesse à laquelle l'expansion de l'espace ralentissait, OK. De combien de fois moins se dilate-t-il aujourd'hui, en comparaison, disons, d'il y a deux milliards d'années.

La surprenante réponse à cette question, à partir de ces expériences, c'est que l'espace se dilate aujourd'hui, à un rythme plus important, qu'il y a quelques milliards d'années, OK. L'expansion de l'espace, en réalité, s'accélère. Ceci fut une conclusion tout à fait inattendue. Il n'y a aucun raisonnement théorique convaincant pour expliquer cette observation. Personne n'aurait pu prédire ce qui a été trouvé. C'était le contraire de ce à quoi nous nous attendions. Nous avons donc besoin de quelque chose pour l'expliquer. Maintenant il s'avère qu'au niveau mathématique, on pourrait considérer ça comme une énergie. Mais un type d'énergie complètement différent de ce que nous avons jamais vu. Nous l'appelons l'énergie noire, et c'est elle qui est à l'origine de l'expansion de l'espace. Mais nous n'avons encore aucune piste sur ce que ce terme mathématique représente. Nous sommes incapable d'expliquer pourquoi nous devons compter cette énergie.

Maintenant, au point où nous sommes, ce que je souhaite vraiment vous faire comprendre, c'est premièrement, que la matière noire et l'énergie noire sont des choses complètement différentes, OK. Il y a vraiment deux mystères dans la composition de l'univers, et ils ont des effets très différents. La matière noire, de par son pouvoir gravitationnel, à tendance à encourager la croissance des structures, d'accord. Des amas de galaxies vont donc se former, grâce à cette énorme force d'attraction gravitationnelle. L'énergie noire, quant à elle, met de plus en plus d'espace entre les galaxies. faisant décroître leur pouvoir d'attraction gravitationnel, et par conséquent elle entrave la croissance des structures. Ainsi donc en observant des choses comme les amas de galaxies, et comment ils -- leur densité numérique, combien sont-ils en fonction du temps -- nous pouvons apprendre comment la matière noire et l'énergie noire interagissent l'une contre l'autre dans la formation des structures.

En terme de matière noire... vous vous en rappelez, j'ai dit que nous n'avions pas vraiment de candidats convaincants pour l'énergie noire. Mais en avons nous pour la matière noire? Et la réponse est: oui. Nous avons des candidats sérieux pour la matière noire. Maintenant, qu'est-ce que j'entends par sérieux? J'entends que nous avons des théories mathématiquement cohérentes que nous avons en fait introduites pour expliquer un phénomène totalement différent, OK, des choses que je n'ai d'ailleurs pas abordées, et qui toutes prédisent l'existence d'une nouvelle particule d'intéraction très faible (WIMPs).

Et c'est exactement ce que vous voulez obtenir en sciences physiques: quand une prédiction sort d'une théorie mathématique cohérente qui a été développée pour autre chose. Cependant, nous ne savons pas si toutes ces prédictions se réfèrent à la matière noire, OK. Une matière noire, ou plusieurs, qui sait? Où ça pourrait être quelque chose de totalement différent. Maintenant, examinons ces particules de matière noire parce qu'après tout, elles sont présentes ici dans la pièce, OK, et elles n'entrent pas par la porte. Elles traversent tout. Elles peuvent traverser l'immeuble, la terre; elles sont tellement non-interactives.

Une manière de les observer serait donc de construire des détecteurs extrêmement sensibles à une particule de matière noire qui traverserait et le percuterait. Par exemple, un cristal qui vibre si ça arrive. Donc l'un de mes collègues et ses collaborateurs ont construit un tel détecteur. Et l'ont placé en profondeur, dans une mine de fer du Minnesota, OK, très profond dans le sol. Et de fait, les deux derniers jours les résultats les plus sensibles à ce jour ont été annoncés. Ils n'ont rien trouvé, OK , mais cela donne des limites à la masse et à la force d'interaction de ces particules de matière noire. Il va y avoir un satellite téléscope de lancé avant la fin de cette année. qui pointera vers le milieu de la galaxie, pour voir si nous pouvons observer ses particules de matière noire en train de s'annihiler et de produire des rayons gamma qui pourraient y être détectés. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC), l'accélérateur de particules physiques, qui va étre mis en marche avant la fin de cette année. Il se peut que des particules de matière noire soit produites au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Maintenant, étant non-interactives, elles vont en fait s'échapper du détecteur, leur signature sera donc de "l'énergie manquante", OK. Maintenant malheureusement, il y a beaucoup de nouvelles particules dont les signatures pourraient elles-aussi être une "énergie manquante", ça va donc être difficile de faire la différence. Enfin, pour les projets futurs, des télescopes sont conçus spécialement pour adresser les questions de la matière et de l'énergie noire: des télescopes basés au sol, et aussi trois télescopes spatiaux qui sont en ce moment en compétition pour être lancés dans le cadre de l'étude de la matière noire et de l'énergie noire. Donc pour les grandes questions: Qu'est ce que la matière noire? qu'est ce que l'énergie noire? Ce sont les grands défis des sciences physiques. Et je suis sûre que vous avez plein de questions. Auxquelles je me ferais un plaisir de répondre au cours des prochaines 72 heures où je serais là. Merci. (Applaudissement)