29.5 : De quoi est réellement fait l'univers ?
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Précisez quelle fraction de la densité de l'univers est fournie par les étoiles et les galaxies et quelle quantité de matière ordinaire (comme l'hydrogène, l'hélium et d'autres éléments que nous connaissons bien ici sur Terre) constitue la densité globale
- Décrivez comment les idées concernant le contenu de l'univers ont évolué au cours des 50 dernières années
- Expliquez pourquoi il est si difficile de déterminer ce qu'est réellement la matière noire
- Expliquer pourquoi la matière noire a aidé les galaxies à se former rapidement au début de l'univers
- Résumez l'évolution de l'univers depuis l'émission du CMB jusqu'à nos jours
Le modèle de l'univers que nous avons décrit dans la section précédente est le modèle le plus simple qui explique les observations. Elle suppose que la relativité générale est la théorie correcte de la gravité dans tout l'univers. Sur la base de cette hypothèse, le modèle tient compte de l'existence et de la structure du CMB, de l'abondance des éléments légers deutérium, hélium et lithium, et de l'accélération de l'expansion de l'univers. Toutes les observations faites à ce jour confirment la validité du modèle, que l'on appelle le modèle standard (ou de concordance) de la cosmologie.
La figure\(\PageIndex{1}\) et le tableau\(\PageIndex{1}\) résument les meilleures estimations actuelles du contenu de l'univers. La matière lumineuse présente dans les étoiles, les galaxies et les neutrinos représente environ 1 % de la masse requise pour atteindre la densité critique. Un autre 4 % se trouve principalement sous forme d'hydrogène et d'hélium dans l'espace entre les étoiles et dans l'espace intergalactique. La matière noire représente environ 27 % supplémentaires de la densité critique. L'équivalent massique de l'énergie noire (selon\(E = mc^2\)) fournit alors les 68 % restants de la densité critique.
| Objet | Densité en pourcentage de la densité critique |
|---|---|
| Matière lumineuse (étoiles, etc.) | <1 |
| Hydrogène et hélium dans l'espace interstellaire et intergalactique | 4 |
| Matière noire | 27 |
| Densité de masse équivalente de l'énergie noire | 68 |
Ce tableau devrait vous choquer. Ce que nous disons, c'est que 95 % de la matière présente dans l'univers est soit de la matière noire, soit de l'énergie noire, deux éléments qui n'ont jamais été détectés dans un laboratoire ici sur Terre. L'ensemble de ce manuel, qui s'est concentré sur les objets émettant des radiations électromagnétiques, a généralement ignoré 95 % de ce qui existe. Qui a dit qu'il n'y avait pas encore de grands mystères à résoudre en science !
La figure\(\PageIndex{1}\) montre comment nos idées sur la composition de l'univers ont évolué au cours des trente dernières années seulement. La fraction de l'univers qui, selon nous, est constituée des mêmes particules que celles des étudiants en astronomie diminue régulièrement.
Qu'est-ce que la matière noire ?
De nombreux astronomes trouvent la situation que nous avons décrite très satisfaisante. Plusieurs expériences indépendantes s'accordent désormais sur le type d'univers dans lequel nous vivons et sur l'inventaire de ce qu'il contient. Il semble que nous soyons sur le point de disposer d'un modèle cosmologique qui explique presque tout. D'autres ne sont pas encore prêts à prendre le train en marche. Ils disent : « Montrez-moi les 96 % de l'univers que nous ne pouvons pas détecter directement, par exemple, trouvez-moi de la matière noire ! »
Au début, les astronomes pensaient que la matière noire pouvait être cachée dans des objets qui semblent sombres parce qu'ils n'émettent pas de lumière (par exemple, des trous noirs) ou qui sont trop faibles pour être observés à de grandes distances (par exemple, des planètes ou des naines blanches). Cependant, ces objets seraient constitués de matière ordinaire, et l'abondance de deutérium indique que pas plus de 5 % de la densité critique est constituée de matière ordinaire.
Une autre forme possible que peut prendre la matière noire est un type de particule élémentaire que nous n'avons pas encore détectée sur Terre, une particule dont la masse et l'abondance sont suffisantes pour contribuer à 23 % de la densité critique. Certaines théories de physique prédisent l'existence de telles particules. Une classe de ces particules a reçu le nom de WIMP, qui signifie particules massives à faible interaction. Comme ces particules ne participent pas aux réactions nucléaires menant à la production de deutérium, l'abondance du deutérium ne limite pas le nombre de WIMP qui peuvent se trouver dans l'univers. (Un certain nombre d'autres particules exotiques ont également été suggérées comme constituants principaux de la matière noire, mais nous limiterons notre discussion aux WIMP à titre d'exemple utile.)
S'il existe un grand nombre de WIMP, certains d'entre eux devraient passer par nos laboratoires de physique dès maintenant. Le truc, c'est de les attraper. Comme, par définition, ils n'interagissent que faiblement (rarement) avec d'autres matières, les chances qu'ils aient un effet mesurable sont faibles. Nous ne connaissons pas la masse de ces particules, mais diverses théories suggèrent qu'elle pourrait être de quelques à quelques centaines de fois la masse d'un proton. Si les WIMP ont une masse 60 fois supérieure à celle d'un proton, environ 10 millions d'entre eux passeraient dans votre main tendue chaque seconde, sans aucun effet sur vous. Si cela vous semble trop ahurissant, sachez que les neutrinos interagissent faiblement avec la matière ordinaire, et pourtant nous avons fini par les « attraper ».
Malgré les défis, plus de 30 expériences conçues pour détecter les WIMPS sont en cours d'exécution ou en cours de planification. Les prévisions concernant le nombre de fois que les WIMP peuvent réellement entrer en collision avec le noyau d'un atome dans l'instrument conçu pour les détecter se situent entre 1 événement par an et 1 événement pour 1 000 ans par kilogramme de détecteur. Le détecteur doit donc être de grande taille. Il doit être protégé de la radioactivité ou d'autres types de particules, tels que des neutrons, qui le traversent, et ces détecteurs sont donc placés dans des mines profondes. L'énergie transmise à un noyau atomique dans le détecteur par collision avec un WIMP sera faible, de sorte que le détecteur doit être refroidi à très basse température.
Les détecteurs WIMP sont fabriqués à partir de cristaux de germanium, de silicium ou de xénon. Les détecteurs sont refroidis à quelques millièmes de degrés, soit très près du zéro absolu. Cela signifie que les atomes du détecteur sont si froids qu'ils ne vibrent pratiquement pas. Si une particule de matière noire entre en collision avec l'un des atomes, cela fera vibrer tout le cristal et, par conséquent, la température augmentera légèrement. Certaines autres interactions peuvent générer un flash de lumière détectable.
Un autre type de recherche de WIMP est mené au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, le laboratoire européen de physique des particules situé près de Genève, en Suisse. Dans cette expérience, des protons entrent en collision avec suffisamment d'énergie pour potentiellement produire des WIMP. Les détecteurs du LHC ne peuvent pas détecter directement les WIMP, mais si des WIMP sont produits, ils traverseront les détecteurs et emporteront de l'énergie avec eux. Les expérimentateurs additionneront ensuite toute l'énergie qu'ils détectent à la suite des collisions de protons afin de déterminer s'il manque de l'énergie.
Jusqu'à présent, aucune de ces expériences n'a détecté de WIMP. Les nouvelles expériences seront-elles payantes ? Ou les scientifiques devront-ils chercher une autre explication à la matière noire ? Seul le temps nous le dira (Figure\(\PageIndex{3}\)).
La matière noire et la formation des galaxies
Aussi insaisissable que puisse être la matière noire dans l'univers actuel, les galaxies n'auraient pas pu se former rapidement sans elle. Les galaxies se sont développées à la suite des fluctuations de densité survenues au début de l'univers, et certaines s'étaient déjà formées environ 400 à 500 millions d'années seulement après le Big Bang. Les observations effectuées avec WMAP, Planck et d'autres expériences nous fournissent des informations sur l'ampleur de ces fluctuations de densité. Il s'avère que les variations de densité que nous observons sont trop faibles pour avoir formé des galaxies si peu de temps après le Big Bang. Dans l'univers primitif et chaud, des photons énergétiques sont entrés en collision avec de l'hydrogène et de l'hélium, et les ont maintenus en mouvement si rapidement que la gravité n'était toujours pas assez forte pour amener les atomes à se réunir pour former des galaxies. Comment concilier cela avec le fait que des galaxies se sont formées et qu'elles sont tout autour de nous ?
Nos instruments qui mesurent le CMB nous fournissent des informations sur les fluctuations de densité uniquement pour la matière ordinaire, qui interagit avec le rayonnement. La matière noire, comme son nom l'indique, n'interagit pas du tout avec les photons. La matière noire aurait pu présenter des variations de densité beaucoup plus importantes et être capable de se réunir pour former des « pièges » gravitationnels qui auraient alors pu commencer à attirer de la matière ordinaire immédiatement après que l'univers soit devenu transparent. À mesure que la matière ordinaire se concentrait de plus en plus, elle aurait pu se transformer rapidement en galaxies grâce à ces pièges à matière noire.
Pour faire une analogie, imaginez un boulevard avec des feux de signalisation tous les 800 mètres environ. Supposons que vous fassiez partie d'un cortège de voitures accompagné de policiers qui vous conduiront au-delà de chaque feu, même s'il est rouge. De même, lorsque l'univers primitif était opaque, le rayonnement interagissait avec la matière ordinaire, lui communiquant de l'énergie et la transportant, dépassant ainsi les concentrations de matière noire. Supposons maintenant que la police quitte le cortège, qui rencontre alors des feux rouges. Les feux agissent comme des pièges à circulation ; les voitures qui approchent doivent désormais s'arrêter, et elles se bloquent. De même, une fois que l'univers primitif est devenu transparent, la matière ordinaire n'a interagi avec le rayonnement qu'occasionnellement et a donc pu tomber dans les pièges de la matière noire.
L'univers en bref
Dans les sections précédentes de ce chapitre, nous avons retracé l'évolution de l'univers progressivement dans le temps. Les découvertes astronomiques ont suivi cette voie historiquement, car de nouveaux instruments et de nouvelles techniques nous ont permis de sonder de plus en plus près de la nuit des temps. Le taux d'expansion de l'univers a été déterminé à partir de mesures de galaxies voisines. Des déterminations de l'abondance du deutérium, de l'hélium et du lithium à partir d'étoiles et de galaxies voisines ont été utilisées pour fixer des limites à la quantité de matière ordinaire présente dans l'univers. Les mouvements des étoiles dans les galaxies et des galaxies au sein des amas de galaxies ne pouvaient être expliqués que s'il y avait de grandes quantités de matière noire. Les mesures des supernovae qui ont explosé alors que l'univers avait environ la moitié de l'âge actuel indiquent que le taux d'expansion de l'univers s'est accéléré depuis que ces explosions se sont produites. L'observation de galaxies extrêmement faibles montre que les galaxies ont commencé à se former alors que l'univers n'avait que 400 à 500 millions d'années. Et les observations du CMB ont confirmé les premières théories selon lesquelles l'univers était initialement très chaud.
Mais tout cela, en reculant de plus en plus dans le temps, vous aurait peut-être donné le vertige. Maintenant, montrons plutôt comment l'univers évolue au fil du temps.
La figure\(\PageIndex{4}\) résume l'histoire complète de l'univers observable depuis le début dans un seul diagramme. L'univers était très chaud lorsqu'il a commencé à s'étendre. Nous avons des vestiges fossiles du tout début de l'univers sous forme de neutrons, de protons, d'électrons et de neutrinos, ainsi que les noyaux atomiques qui se sont formés lorsque l'univers avait 3 à 4 minutes : le deutérium, l'hélium et une petite quantité de lithium. La matière noire subsiste également, mais nous ne savons pas encore sous quelle forme elle se présente.
L'univers s'est refroidi progressivement ; alors qu'il avait environ 380 000 ans et à une température d'environ 3 000 K, les électrons se sont combinés aux protons pour former des atomes d'hydrogène. À ce stade, comme nous l'avons vu, l'univers est devenu transparent à la lumière et les astronomes ont détecté le CMB émis à ce moment-là. L'univers ne contenait toujours ni étoiles ni galaxies, et il est donc entré dans ce que les astronomes appellent « l'âge des ténèbres » (puisque les étoiles n'éclairaient pas les ténèbres). Au cours des centaines de millions d'années qui ont suivi, de petites fluctuations de la densité de la matière noire se sont accrues, formant des pièges gravitationnels qui ont concentré la matière ordinaire, qui a commencé à former des galaxies environ 400 à 500 millions d'années après le Big Bang.
À l'époque où l'univers avait environ un milliard d'années, il était entré dans sa propre renaissance : il était de nouveau plein de radiations, mais cette fois, d'étoiles, d'amas d'étoiles et de petites galaxies nouvellement formés. Au cours des milliards d'années qui ont suivi, de petites galaxies ont fusionné pour former les géantes que nous voyons aujourd'hui. Des amas et des superamas de galaxies ont commencé à se développer, et l'univers a fini par ressembler à ce que nous voyons à proximité.
Au cours des 20 prochaines années, les astronomes prévoient de construire de nouveaux télescopes géants à la fois dans l'espace et au sol pour explorer encore plus loin dans le temps. En 2021, le télescope spatial James Webb, un télescope de 6,5 mètres qui succède au télescope spatial Hubble, sera lancé et assemblé dans l'espace. Les prédictions sont qu'avec ce puissant instrument (voir Figure 29.1), nous devrions être en mesure de regarder en arrière suffisamment loin pour analyser en détail la formation des premières galaxies.
Concepts clés et résumé
Vingt-sept pour cent de la densité critique de l'univers est composée de matière noire. Pour expliquer une telle quantité de matière noire, certaines théories de la physique prédisent qu'il devrait exister d'autres types de particules. Un type a été baptisé WIMP (particules massives à faible interaction), et les scientifiques mènent actuellement des expériences pour tenter de les détecter en laboratoire. La matière noire joue un rôle essentiel dans la formation des galaxies. Comme, par définition, ces particules n'interagissent que très faiblement (voire pas du tout) avec le rayonnement, elles auraient pu se rassembler alors que l'univers était encore très chaud et rempli de radiations. Ils auraient ainsi formé des pièges gravitationnels qui ont rapidement attiré et concentré la matière ordinaire une fois que l'univers est devenu transparent et que la matière et le rayonnement se sont découplés. Cette concentration rapide de matière a permis aux galaxies de se former alors que l'univers n'avait que 400 à 500 millions d'années.
Lexique
- matière noire
- matériau non lumineux, dont nous ne comprenons pas encore la nature, mais dont la présence peut être déduite en raison de son influence gravitationnelle sur la matière lumineuse
- particules massives à faible interaction
- (WIMP), les particules massives à faible interaction sont l'un des candidats à la composition de la matière noire