Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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74 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers vitesse de rotation Figure 1. La vitesse de rotation des galaxies spirales suggère qu’elles contiennent une importante quantité de matière sombre. En effet, contrairement à la décroissance prédite d’après la baisse de luminosité du disque d’étoile, au fur et à mesure de l’éloignement du centre de la galaxie, la vitesse de rotation mesurée demeure constante. observateur O CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 distance au centre de la galaxie de la galaxie et celle estimée à partir de la luminosité des étoiles, laisse apparaître un net désaccord. En effet, la luminosité du disque stellaire décroissant exponentiellement en fonction de la distance avec le centre de la galaxie, tout laisse à penser que la masse de la galaxie se concentre essentiellement dans son centre ; pourtant, la vitesse de rotation demeurant constante, aussi loin qu’on pousse la mesure, ce résultat démontre qu’au contraire, une importante quantité de matière se trouverait dans les régions de luminosité faible ou nulle (figure 1). Des études systématiques, portant sur des milliers de galaxies, attestent à la fois le caractère universel de ce phénomène et la présence d’un excédent de matière noire dans presque toutes les galaxies spirales. Cette anomalie s’explique par la présence déflecteur D observée prédite par les lois de la gravité écart interprété comme la contribution du halo de matière noire étoile source S Figure 2. Schéma décrivant le principe du mirage gravitationnel. À gauche : l’astre sombre central déforme l’espace-temps modifiant le trajet des rayons lumineux qui passent dans son voisinage. À droite : les deux trajets lumineux possibles donnent chacun une image déformée de l’étoile ou de la galaxie située derrière l’astre responsable du mirage gravitationnel (« u », le paramètre d’impact, représente la distance entre l'objet massif et la ligne de visée vers l'étoile ; l'effet de mirage gravitationnel est d'autant plus prononcé que « u » s’avère petit). vitesse de rotation en km/s 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 distance au centre de la galaxie (en milliers de parsecs) u matière noire dans la galaxie NGC 3198 NGC 3198 halo de matière noire disque lumineux de la galaxie d’un halo massif, grossièrement sphérique, s’étendant de dix à vingt fois plus loin que le disque d’étoiles. Pour l’hypothèse la plus courante, ce halo sombre se compose d’astres compacts très faiblement lumineux : planètes, étoiles en fin de vie ayant brûlé tout leur combustible (naines blanches) ou trous noirs. Restait à vérifier cette hypothèse, d’où l’expérience EROS (pour Expérience de recherche d’objets sombres), conduite par l’Irfu, qui a mesuré, nuit après nuit, la lumière des étoiles de deux galaxies satellites de la Voie lactée : les Nuages de Magellan. Il s’agissait de chercher une amplification lumineuse temporaire causée par la gravitation d’un astre sombre du halo, lors de son passage sur la ligne de visée d’une des étoiles observées. Dix années de « traque » permettront d’exclure l’hypothèse que le halo sombre de notre Voie lactée soit majoritairement constitué d’astres non lumineux. Et donc, la nature de cette matière sombre garde tout son mystère. La matière noire dans les amas de galaxies Les premiers soupçons sur la présence de matière noire dans les amas de galaxies remontent à Fritz Zwicky. En 1933, il avança que l'amas nommé Coma Berenices contient nettement plus de matière sombre que de matière lumineuse. Son analyse s’appuyait sur un résultat de mécanique classique, dit théorème du viriel, selon lequel, dans un système en équilibre dynamique, la somme de l’énergie potentielle et du double de l’énergie cinétique, est égale à zéro. D’où l’estimation immédiate de la masse de l’amas de galaxies, en fonction de sa taille et de la vitesse des galaxies le composant. Cette méthode laisse néanmoins planer quelques incertitudes découlant de la difficulté de dénombrer les galaxies composant les
ESA/NASA amas, sans y intégrer des galaxies extérieures, tout en comptant des galaxies de très faible luminosité. En outre, l’amas ne se trouve pas toujours en équilibre dynamique (condition d’application du théorème du viriel) car le temps de sa mise en équilibre peut dépasser les dix milliards d’années. Enfin, la situation n’offre qu’une vue partielle car toutes les distances apparaissent en projection et n’autorisent que la mesure des seules vitesses radiales. Pourtant, les résultats obtenus par l’analyse du rayonnementX, émis par le gaz chaud diffus localisé entre les galaxies des amas, vont confirmer cette hypothèse. Les mesures réalisées par des satellites comme Röntgensatellit (ROSAT), lancé par l’Allemagne en 1990, XMM-Newton, de l’Agence spatiale européenne (ESA), ou encore Chandra, de la NASA, lancés tous deux en 1999, sont unanimes : le gaz qui baigne les galaxies semble en équilibre dans le champ de gravité de l’amas, lequel est engendré par les galaxies, le gaz chaud et la matière noire. De plus, l’intensité de l’émission X du gaz permet de calculer non seulement la masse de gaz mais aussi le potentiel gravitationnel dans lequel il se trouve plongé et donc, la masse totale de l’amas. Pour un amas typique, les étoiles représenteraient donc 2 à 4% de la masse totale et le gaz chaud 12 à 16% seulement. Même en tenant compte de la matière sombre déduite de l’étude de leurs courbes de rotation, les galaxies apparaissent donc comme négligeables dans le bilan de la masse des amas. En 1986, une autre méthode fondée sur l’étude de mirages gravitationnels présents autour des amas de galaxies a confirmé ces résultats (figure 2). Parmi les observations les plus spectaculaires figurent celles d’arcs lumineux montrant des décalages spectraux nettement supérieurs à celui de l’amas. Les astrophysiciens y voient des images de galaxies situées derrière l’amas et déformées par le champ gravitationnel de celui-ci. Il s’agit de mirages gravitationnels, ce que la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein permet de comprendre. En effet, si la gravitation résulte de la déformation imposée par la matière et l’énergie à l’espace-temps, alors la lumière elle-même devient sensible à la gravité puisqu’elle suit les lignes du plus court chemin de l’espace-temps courbé par la matière. Outre ces arcs lumineux, les observations révé leront également un phénomène encore plus fréquent, celui des « arclets », petites images de galaxies d’arrière-plan, légèrement tordues par le champ de l’amas. La répartition, l’orientation et l’intensité de ces distorsions permettent de reconstituer, avec une remarquable précision, la distribution de masse de l’amas responsable. Une équipe internationale de scientifiques, comprenant des chercheurs de l’Irfu, a ainsi réalisé la première carte tridimensionnelle de la distribution de matière noire dans une portion d’Univers. Ces études, indépendantes les unes des autres, convergent en faveur de masses élevées pour les amas de galaxies. Elles confirment donc les résultats obtenus par les distributions de vitesses et l’émissionX. La matière noire à l’échelle de l’Univers L'étude du rayonnement à 2,7 K qui baigne aujourd'hui l'ensemble de l'Univers permet égale ment de déterminer la composition de l'Univers dans son ensemble. D'où vient ce rayonnement ? Notre Univers étant en expansion, il a dû passer par une phase plus dense et plus chaude que celle qui Carte tridimensionnelle de la matière noire déduite de la distribution des arclets dans la portion d’Univers observée. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 75



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