La majeure partie de l'Univers est constituée de «matière» qui ne peut pas être vue, peut-être immatérielle, et qui n'interagit avec d'autres choses que par la force de gravité. Oh oui, et les physiciens ne savent pas ce qu'est cette question ou pourquoi il y en a tant dans l'Univers - environ les quatre cinquièmes de sa masse.
Les scientifiques l'appellent matière noire.
Alors, où est cette matière mystérieuse qui constitue une si grande partie de notre univers, et quand les scientifiques la découvriront-elles?
Comment savons-nous que cette question existe
L'hypothèse de la matière noire a été avancée pour la première fois par l'astronome suisse Fritz Zwicky dans les années 1930, lorsqu'il s'est rendu compte que ses mesures des masses d'amas de galaxies montraient une partie de la masse de l'Univers «manquante». Tout ce qui alourdit les galaxies, il n'émet aucune lumière et n'interagit avec rien d'autre que par gravité.
L'astronome Vera Rubin, dans les années 1970, a découvert que la rotation des galaxies ne suit pas la loi du mouvement de Newton; les étoiles des galaxies (en particulier Andromède) semblaient tourner autour du centre à la même vitesse, mais celles qui sont plus éloignées de l'étoile se déplacent plus lentement. Comme si quelque chose ajoutait de la masse à la partie extérieure de la galaxie que personne ne pouvait voir.
Le reste des preuves provient de la lentille gravitationnelle, qui se produit lorsque la gravité d'un gros objet plie les ondes lumineuses autour d'un objet. Selon la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, la gravité plie l'espace (comme un lutteur de sumo peut déformer le tapis sur lequel il se tient) de sorte que les rayons lumineux se courbent autour de grands objets, même si la lumière elle-même est sans masse. Les observations ont montré qu'il n'y avait pas assez de masse visible pour plier la lumière, comme c'était le cas autour des amas de galaxies individuelles - en d'autres termes, les galaxies étaient plus massives qu'elles ne devraient l'être.
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Ensuite, il y a le rayonnement relique (CMB), l '«écho» du Big Bang et des supernovae. «Le CMB nous dit que l'univers est spatialement plat», a déclaré Jason Kumar, professeur de physique à l'Université d'Hawaï. «Spatialement plat» signifie que si vous tracez deux lignes à travers l'univers, elles ne se croisent jamais, même si les lignes faisaient des milliards d'années-lumière. Dans un univers fortement incurvé, ces lignes se rencontreront à un moment donné dans l'espace.
Il y a maintenant une petite controverse parmi les cosmologistes et les astronomes quant à l'existence de la matière noire. Il n'affecte pas la lumière et il n'est pas chargé comme des électrons ou des protons. Jusqu'à présent, il a échappé à la détection directe.
«C'est un mystère», a déclaré Kumar. Les scientifiques ont peut-être tenté de «voir» la matière noire de différentes manières - soit par son interaction avec la matière ordinaire, soit en recherchant des particules qui pourraient devenir de la matière noire.
Ce que la matière noire n'est pas
De nombreuses théories sont venues et disparues sur ce qu'est la matière noire. L'une des premières était assez logique: la question était cachée dans d'énormes objets à halo compact astrophysique (MACHO), tels que des étoiles à neutrons, des trous noirs, des naines brunes et des planètes voyous. Ils n'émettent pas de lumière (ou ils émettent très peu), ils sont donc pratiquement invisibles aux télescopes.
Cependant, l'exploration des galaxies à la recherche de petites distorsions de la lumière des étoiles produites par le passage de MACHO - appelées microlentilles - ne pouvait pas expliquer la quantité de matière noire autour des galaxies, ou même une grande partie de celle-ci. «Les MACHO semblent être plus exclus que jamais», a déclaré Dan Hooper, chercheur associé au Laboratoire national des accélérateurs Fermi dans l'Illinois.
La matière noire ne semble pas être un nuage de gaz qui ne peut être vu à travers les télescopes. Le gaz diffus absorbera la lumière des galaxies qui sont plus éloignées, et au sommet de ce gaz normal réémettra un rayonnement à de longues longueurs d'onde - il y aura une énorme émission de lumière infrarouge dans le ciel. Puisque cela ne se produit pas, nous pouvons l'exclure.
Qu'est ce que ça pourrait être
Les particules massives faiblement interagissantes (WIMP) sont parmi les plus puissants prétendants à l'explication de la matière noire. Les Wimps sont des particules lourdes - environ 10 à 100 fois plus lourdes que le proton, qui ont été créées pendant le Big Bang et restent en petit nombre aujourd'hui. Ces particules interagissent avec la matière normale par gravité et forces nucléaires faibles. Les WIMP les plus massifs se déplaceront plus lentement dans l'espace, et peuvent donc être des candidats pour la matière noire «froide», tandis que les plus légers se déplaceront plus rapidement et seront des candidats pour la matière noire «chaude».
Une façon de les trouver consiste à utiliser la «détection directe», comme l'expérience du Large Underground Xenon (LUX), qui est un conteneur de xénon liquide dans une mine du Dakota du Sud.
Une autre façon de voir les wimps pourrait être d'utiliser un accélérateur de particules. À l'intérieur des accélérateurs, les noyaux atomiques sont cassés à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, et dans le processus cette énergie de collision est convertie en d'autres particules, certaines d'entre elles sont nouvelles pour la science. Jusqu'à présent, rien n'a été trouvé dans les accélérateurs de particules qui ressemble à de la matière noire putative.
Autre possibilité: les axions. Ces particules subatomiques pourraient être détectées indirectement par les types de rayonnement qu'elles émettent, comment elles se détruisent ou comment elles se désintègrent en d'autres types de particules ou apparaissent dans les accélérateurs de particules. Cependant, il n'y a pas non plus de preuves directes des axions.
Puisque la découverte de particules lourdes et lentes "froides" comme les wimps ou les axions n'a pas encore produit de résultats, certains scientifiques étudient la possibilité que des particules légères se déplacent plus rapidement et provoquent de la matière noire "chaude". Il y a eu un regain d'intérêt pour un tel modèle de matière noire après que les scientifiques aient trouvé la preuve d'une particule inconnue en utilisant l'observatoire de rayons X Chandra, dans l'amas de Persée, un groupe de galaxies à environ 250 millions d'années-lumière de la Terre. Les ions connus dans ce cluster produisent certaines lignes d'émission de rayons X, et en 2014, les scientifiques ont vu une nouvelle «ligne» qui pourrait correspondre à une particule lumineuse inconnue.
Si les particules de matière noire sont légères, les scientifiques auront du mal à les trouver directement, a déclaré Tracey Slater, physicienne au MIT. Elle a proposé de nouveaux types de particules pouvant constituer la matière noire.
"La matière noire avec une masse inférieure à environ 1 GeV est vraiment difficile à détecter avec les expériences de détection directe standard car elles fonctionnent en recherchant des reculs inexpliqués de noyaux atomiques … mais lorsque la matière noire est beaucoup plus légère qu'un noyau atomique, l'énergie de recul est très petite", a déclaré Tracy. Couvreur.
De nombreuses recherches ont été effectuées sur la recherche de matière noire et si les méthodes actuelles échouent, de nouvelles seront menées. L'utilisation d'hélium liquide «liquide», des semi-conducteurs et même la rupture des liaisons chimiques dans les cristaux sont quelques-unes des nouvelles idées pour détecter la matière noire.