Tout ce que nous avons jamais observé dans l'Univers, de la matière au rayonnement, peut être décomposé en les plus petits composants. Tout dans ce monde est constitué d'atomes, qui sont composés de nucléons et d'électrons, et les nucléons sont divisés en quarks et gluons. La lumière est également constituée de particules: les photons. Même les ondes gravitationnelles, en théorie, sont constituées de gravitons: des particules que nous trouvons et fixons un jour, si nous avons de la chance. Mais qu'en est-il de la matière noire? La preuve indirecte de son existence ne peut être niée. Mais devrait-il aussi être composé de particules?
Nous avons l'habitude de penser que la matière noire est constituée de particules et nous essayons désespérément de les détecter. Mais que faire si nous cherchons au mauvais endroit?
Si l'énergie noire peut être interprétée comme une énergie inhérente au tissu même de l'espace, se pourrait-il que la «matière noire» soit aussi une fonction interne de l'espace lui-même - étroitement ou à distance liée à l'énergie sombre? Et qu'au lieu de la matière noire, les effets gravitationnels qui pourraient expliquer nos observations seront davantage dus à la "masse sombre"?
Eh bien, spécialement pour vous, le physicien Ethan Siegel a exposé nos approches théoriques et nos scénarios possibles.
L'une des caractéristiques les plus intéressantes de l'univers est la relation univoque entre ce qu'il y a dans l'univers et la façon dont le taux d'expansion change au fil du temps. Grâce à de nombreuses mesures minutieuses de nombreuses sources disparates - étoiles, galaxies, supernovae, fond de micro-ondes cosmique et structures à grande échelle de l'Univers - nous avons pu mesurer les deux, déterminant de quoi est fait l'Univers. Fondamentalement, il existe de nombreuses idées différentes sur ce que notre Univers peut être, et elles ont toutes des effets différents sur l'expansion cosmique.
Grâce aux données obtenues, nous savons maintenant que l'univers est composé des éléments suivants:
- 68% d'énergie noire, qui reste à une densité d'énergie constante même lorsque l'espace se dilate;
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- 27% de la matière noire, qui présente une force gravitationnelle, est floue au fur et à mesure que le volume augmente et ne se laisse pas mesurer par une autre force connue;
- 4,9% de la matière ordinaire, qui manifeste toutes ses forces, est floue à mesure que le volume augmente, se noue en grumeaux et se compose de particules;
- 0,1% de neutrinos, qui présentent des interactions gravitationnelles et électrofaibles, sont constitués de particules et ne se heurtent que lorsqu'ils ralentissent suffisamment pour se comporter comme de la matière et non comme des radiations;
- 0,01% des photons, qui présentent des influences gravitationnelles et électromagnétiques, se comportent comme un rayonnement et sont flous à la fois avec l'augmentation du volume et avec l'étirement des longueurs d'onde.
Au fil du temps, ces différents composants deviennent relativement plus ou moins importants, et ce pourcentage représente ce dont est fait l'univers aujourd'hui.
L'énergie sombre, comme il ressort de nos meilleures mesures, a les mêmes propriétés en tout point de l'espace, dans toutes les directions de l'espace et dans tous les épisodes de notre histoire cosmique. En d'autres termes, l'énergie noire est à la fois homogène et isotrope: elle est la même partout et toujours. Pour autant que nous sachions, l'énergie noire n'a pas besoin de particules; il peut facilement être une propriété inhérente au tissu de l'espace.
Mais la matière noire est fondamentalement différente.
Pour que la structure que nous voyons dans l'Univers se forme, en particulier à grande échelle cosmique, la matière noire doit non seulement exister, mais aussi se rassembler. Il ne peut pas avoir la même densité dans l'espace; il devrait plutôt être concentré dans les régions de densité plus élevée et devrait être moins dense, ou totalement absent, dans les régions de densité plus faible. Nous pouvons en fait dire combien de matière totale se trouve dans différentes régions de l'espace, guidées par des observations. Les trois plus importants sont:
Spectre de puissance de la matière
Cartographiez la matière dans l'univers, voyez à quelles échelles elle correspond aux galaxies - c'est-à-dire quelle est la probabilité que vous trouviez une autre galaxie à une certaine distance de la galaxie avec laquelle vous commencez - et étudiez le résultat. Si l'univers était constitué d'une substance homogène, la structure serait maculée. S'il y avait de la matière noire dans l'univers qui ne se rassemblait pas assez tôt, la structure à petite échelle serait détruite. Le spectre de puissance de l'énergie nous dit qu'environ 85% de la matière dans l'Univers est représentée par la matière noire, qui est sérieusement différente des protons, des neutrons et des électrons, et cette matière noire est née froide, ou son énergie cinétique est comparable à la masse au repos.
Lentilles gravitationnelles
Jetez un œil à l'objet massif. Disons un amas de quasar, de galaxie ou de galaxie. Voyez comment la lumière de fond est déformée par la présence d'un objet. Puisque nous comprenons les lois de la gravité régies par la théorie de la relativité générale d'Einstein, la façon dont la lumière est courbée nous permet de déterminer la quantité de masse présente dans chaque objet. Par d'autres méthodes, nous pouvons déterminer la quantité de masse présente dans la matière ordinaire: étoiles, gaz, poussière, trous noirs, plasma, etc. Et encore une fois, nous constatons que 85% de la matière est représentée par la matière noire. De plus, il est distribué de manière plus diffuse, trouble, que la matière ordinaire. Ceci est confirmé par une lentille faible et forte.
Fond de micro-ondes cosmique
Si vous regardez la lueur restante du rayonnement du Big Bang, vous constaterez qu'elle est à peu près uniforme: 2,725 K dans toutes les directions. Mais si vous regardez de plus près, vous pouvez constater que de minuscules défauts sont observés sur des échelles allant de dizaines à centaines de microkelvin. Ils nous disent quelques choses importantes, y compris les densités d'énergie de la matière ordinaire, de la matière noire et de l'énergie noire, mais surtout, ils nous disent à quel point l'univers était homogène alors qu'il n'avait que 0,003% de son âge actuel. La réponse est que la région la plus dense était seulement 0,01% plus dense que la région la moins dense. En d'autres termes, la matière noire a commencé dans un état homogène et s'est agglomérée au fil du temps.
En mettant tout cela ensemble, nous arrivons à la conclusion que la matière noire devrait se comporter comme un liquide qui remplit l'univers. Ce fluide a une pression et une viscosité négligeables, réagit à la pression de rayonnement, ne heurte pas les photons ou la matière ordinaire, est né froid et non relativiste, et s'agglutine sous l'influence de sa propre gravité au fil du temps. Il détermine la formation des structures dans l'Univers aux plus grandes échelles. Il est très hétérogène et l’ampleur de son hétérogénéité augmente avec le temps.
Voici ce que nous pouvons en dire à grande échelle, en ce qui concerne les observations. À petite échelle, on ne peut que supposer, pas tout à fait sûr, que la matière noire est composée de particules dont les propriétés la font se comporter ainsi à grande échelle. La raison pour laquelle nous supposons que c'est parce que l'univers, pour autant que nous le sachions, est composé de particules en son cœur, c'est tout. Si vous êtes une substance, si vous avez une masse, un analogue quantique, alors vous devez inévitablement être constitué de particules à un certain niveau. Mais tant que nous n'avons pas trouvé cette particule, nous n'avons pas le droit d'exclure d'autres possibilités: par exemple, qu'il s'agit d'une sorte de champ liquide qui ne se compose pas de particules, mais qui affecte l'espace-temps de la manière dont les particules le devraient.
C'est pourquoi il est si important d'essayer de détecter directement la matière noire. Il est impossible de confirmer ou de nier le constituant fondamental de la matière noire en théorie, uniquement en pratique, étayé par des observations. Apparemment, la matière noire n'a rien à voir avec l'énergie noire.
Est-il fait de particules? Jusqu'à ce que nous les trouvions, nous ne pouvons que deviner. L'univers se manifeste comme quantique dans la nature lorsqu'il s'agit de toute autre forme de matière, il est donc raisonnable de supposer que la matière noire serait la même.
Ilya Khel
