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LA MATIRE NOIRE

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La matière noire

Publié le 7 mars 2022

 
La matière noire est un sujet qui fascine par son côté obscur. Comme elle échappe à la détection, on ne sait pas si elle existe… c’est une traque de longue date qui stimule chercheurs et ingénieurs pour trouver sa trace expérimentale et prouver son existence. Elle expliquerait pourquoi notre Univers se compose de galaxies, d’amas de galaxies mais aussi de vides immenses. Cependant, si on ne la détectait pas, il faudrait revoir la théorie de la gravitation d’Einstein.

QU’EST-CE QUE LA MATIÈRE NOIRE ?

Notre Univers se compose de matière dite « ordinaire » qui va constituer tout ce qui nous entoure comme les atomes de notre corps, les étoiles ou les planètes. Afin d’expliquer certaines observations du cosmos, il existerait une autre matière, appelée matière noire, car elle ne rayonne pas dans l’Univers, ne réfléchit ni n’émet la lumière (n’interagit pas avec la force électromagnétique).

Notions clés
*         La matière ordinaire compose tout ce qui nous entoure, comme les atomes de notre corps, les étoiles ou les planètes. Selon ses propriétés, de charge électrique, de masse, et bien d’autres se rapportant à sa nature quantique, elle peut interagir avec les quatre interactions fondamentales.
*         La matière noire est une matière hypothétique qui ressentirait la gravitation et n’interagirait que par interaction faible avec la matière ordinaire.
*         L'antimatière : à chaque particule correspond une antiparticule. Leurs propriétés sont quasiment identiques. Une particule et son antiparticule ont la même masse, mais des charges électriques opposées.


Elle serait apparue en même temps que la matière ordinaire après le big-bang, il y a 13,7 milliards d’années. Interagissant faiblement avec la matière ordinaire, elle échappe encore aux outils de détection.
    
A la différence de la matière ordinaire qui est sensible aux quatre interactions fondamentales , la matière noire ressentirait la force de gravitation et aussi, selon certains modèles, la force nucléaire faible.

Les 4 interactions fondamentales
Les lois fondamentales de l’Univers reposent sur quatre forces :
*         La gravitation (gravité, pesanteur, système solaire, galaxie…)
*         L’interaction faible (processus radioactifs qui transforment un proton en neutron et réciproquement)
*         L’interaction forte (force qui, entre autres, lie les protons et neutrons qui composent les noyaux des atomes)
*         L’interaction électromagnétique (électricité, magnétisme, cohésion des atomes et des molécules)


Pourquoi la matière noire est-elle difficilement détectable ?
La matière noire n’a pas encore été détectée aujourd’hui parce qu’elle traverserait la matière ordinaire sans réagir avec elle ni par interaction forte ni par interaction électromagnétique. Il existe cependant des candidats de particules de matière noire qui pourraient interagir avec les noyaux par interaction faible.

DE QUOI LA MATIÈRE NOIRE SERAIT-ELLE CONSTITUÉE ?
Plusieurs modèles scientifiques existent pour tenter de caractériser les propriétés de la matière noire. L’un des plus avancés est celui des « wimps » (Weakly Interacting Massive Particles).
Selon ce modèle, la matière noire serait constituée de particules massives, donc sensibles à la gravitation, qui interagiraient aussi faiblement avec la matière ordinaire via la force nucléaire faible. La masse d’une particule de cette matière serait de 1 à 100 000 fois plus importante que celle d’un proton par exemple.


QUELS SONT LES INDICES DE L’EXISTENCE DE LA MATIÈRE NOIRE ?
Par déformation de l’espace, les astrophysiciens observent des « empreintes » où la matière noire serait présente. Deux indices montreraient l’existence de la matière noire dans l’Univers.
Indice n°1 : La lentille gravitationnelle ou le mirage gravitationnel
Selon la théorie de la relativité générale, les objets massifs déforment l’espace ; les rayons lumineux sont déviés. L’image d’une étoile située derrière un objet massif (appelé lentille), tel qu’un trou noir ou un amas de galaxies, nous parvient déformée. C’est l’effet de lentille gravitationnelle.

En étudiant cette déformation, les chercheurs peuvent déduire la masse totale de la lentille. En considérant la masse de matière ordinaire de celle-ci, on ne reproduit pas la déformation. C’est un indice de l’existence d’une masse supplémentaire : la matière noire.

Indice n°2 : La vitesse de rotation des étoiles dans une galaxie

Les galaxies tournent sur elles-mêmes. Les étoiles qui les composent sont soumises à deux forces à l’équilibre : la gravitation qui les attire vers le centre et la force centrifuge qui les repousse.
Plus la distance par rapport  au centre de la galaxie augmente, plus la gravitation faiblit ; la force centrifuge devrait aussi diminuer pour conserver l’équilibre afin que les étoiles restent dans la galaxie. Les chercheurs s’attendaient  à ce que les vitesses orbitales des étoiles externes décroissent (courbe bleue). Mais la courbe réellement observée se stabilise (en rouge).
C’est dans les années 30 que Fritz Zwicky relève cette anomalie dans le mouvement des galaxies en observant un amas. Il imagine une masse manquante invisible qui agirait par gravitation pour garder tel quel l’amas.
Son intuition était bonne. Dans les années 70, Vera Rubin fait le même constat, mais à l’échelle des galaxies : les étoiles tournent trop vite. L’hypothèse de la matière noire revient.
Dans les années 80, l’observation du fond diffus cosmologique (image la plus ancienne de notre Univers) montre que la densité de matière visible n’est pas suffisante pour former les grandes structures de l’Univers. La question de la matière noire s’impose. 

    
COMMENT RECHERCHER UNE MATIÈRE SI ELLE EST INDÉTECTABLE ?
Pour découvrir la matière noire, les scientifiques ont trois stratégies possibles : détecter l’effet qu’elle induit sur la matière ordinaire, la produire par l’énergie dégagée lors de la collision de protons de haute énergie, ou encore observer les produits de l’annihilation de deux particules de matière noire qui se produit dans le cosmos.


Détecter la matière noire
Lorsqu’une particule de matière noire frappe un noyau de matière ordinaire, elle pourrait provoquer un recul de celui-ci. Détecter cet infime mouvement permettrait de signer son passage.
Pour être sûr de capter des événements si ténus, les détecteurs doivent être conçus dans un matériau très peu radioactif et protégés des radiations parasites afin de minimiser le bruit de fond qui cacherait le signal recherché.
Ceux de l’expérience Edelweiss sont donc abrités dans le laboratoire souterrain de Modane en France, à 1 700 mètres sous la montagne. Depuis sa création, l’expérience n’a détecté que des événements de bruit de fond et aucun signal compatible avec le passage d’une particule de matière noire. L’expérience continue à guetter une interaction qui prouverait leur existence.
Mais cette méthode directe ne permettra pas à elle seule de dresser la carte d’identité complète de ces particules. Pour cela, il faut les créer en laboratoire, notamment avec les expériences en cours au LHC (Large Hadron Collider, accélérateur de particules du Cern, à Genève en Suisse).


Produire de la matière noire
Il paraît surprenant de dire que l’on peut produire de la matière. L’équation d’Einstein E=mc²  montre qu’il est possible de créer de la matière (m) à partir d’énergie (E). C’est ce qui se serait passé lors du Big Bang où de l’énergie est devenue la matière de notre Univers.
Le LHC est une infrastructure scientifique où ont lieu des collisions de protons de très hautes énergies. L’énergie atteinte lors de la collision permet de créer des particules de très grandes masses dont théoriquement des particules de matière noire. Ces dernières ne laisseront pas de traces dans les détecteurs.  Dans le bilan d’énergie de chaque collision de protons, les chercheurs vont voir s’il manque de l’énergie. Si c'est le cas, cette perte d’énergie pourrait être affectée à la création de ces particules. C’est cette technique d’énergie manquante après la collision qui signerait la création d’un wimp. Cependant, depuis le début du LHC en 2009, aucun candidat n’a été trouvé.
La montée en énergie et en puissance du LHC va permettre de produire des particules de plus en plus massives et augmenter les probabilités de détection des événements rares, telle la matière noire. Si des particules de matière noire sont créées en laboratoire, encore faudra-t-il prouver qu’elles existent aussi dans l’Univers... et donc en trouver dans le cosmos à l’aide de télescopes.

Observer de la matière noire

Lorsqu’une particule et son antiparticule entrent en collision, on dit qu’elles s’annihilent. L’énergie de cette collision va créer de nouvelles particules. L’annihilation de deux particules de matière noire produirait des particules ordinaires détectables dont des photons de hautes énergies appelés rayons gamma. Ceux-ci sont particulièrement intéressants car ils se propagent en ligne droite, ce qui permet aux chercheurs de remonter à leur source. Lorsque ces rayons gamma atteignent l’atmosphère terrestre, ils interagissent avec les atomes de l’atmosphère et produisent une gerbe de particules secondaires, qui émettent un flash très ténu de lumière bleutée, la lumière Tcherenkov. C’est cette lumière, quasi-visible, qui est décelée par les télescopes au sol (comme l’expérience H.E.S.S. : High Energy Stereoscopic System) ou par les satellites dans l’espace (comme l’expérience Fermi).


En théorie, d’importantes densités de matière noire sont concentrées au centre des galaxies. C’est donc en direction du centre de la Voie lactée que les physiciens pointent leurs télescopes. Le signal attendu est beaucoup plus fort que celui en provenance des galaxies naines satellites, surveillées depuis l’espace.
QUELS ENJEUX AUTOUR DE LA MATIÈRE NOIRE ?
La cosmologie est la science qui vise à expliquer la naissance et l’évolution de l’Univers en une théorie avec un minimum de paramètres. Dans le cadre de la théorie de la gravitation d’Einstein, un des paramètres est la matière, incluant la matière noire, qui jouerait un rôle essentiel dans la création des grandes structures (le squelette de l’Univers).
Pour le moment aucune expérience - que ce soit en laboratoire ou en observant le cosmos - n’a encore prouvé l’existence de particules de matière noire mais, si elles existent, elles ne pourront pas éternellement échapper à la détection.


D’autres théories de la gravité cherchent à comprendre les observations sans postuler l’existence de matière noire. Pour arriver à reproduire les observations telles que les lentilles gravitationnelles par exemple, les théoriciens modifient les équations liées à la gravitation.

 

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LE SOLEIL

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Le Soleil

Publié le 7 juin 2017

Le Soleil est l’une des cent milliards d’étoiles de notre galaxie. C’est l’étoile la plus proche de la Terre – située à quelque cent cinquante millions de kilomètres – et donc la mieux observée. Mais comment l’observe-t-on et de quoi est-elle constituée ?

NATURE ET SOURCE D’ÉNERGIE DU SOLEIL
Le Soleil est une grosse boule de gaz chaud tournant sur elle-même en 28 jours environ. Comme toutes les étoiles, le Soleil brille car il produit de l’énergie. C’est un gigantesque réacteur nucléaire. En son cœur, la température est de 15 millions de degrés. A cette température ont lieu des réactions de fusion au cours desquelles, l’hydrogène est transformé en hélium en libérant de l’énergie. Cette transformation se fait progressivement et lorsque le Soleil aura épuisé tout son hydrogène, la température en son centre augmentera encore jusqu’à déclencher la fusion de l’hélium en carbone. Mais la capacité de fusion nucléaire dont dispose le Soleil est limitée et n'excèdera pas dix milliards d’années environ au total.

AGE ET COMPOSITION DU SOLEIL
On suppose que le Soleil et tous les corps du système solaire sont nés quasiment en même temps. Or l’âge des plus vieilles roches terrestres, lunaires et météoriques a pu être estimé aux alentours de 4,6 milliards d’années. C’est donc aussi l’âge du Soleil qui est ainsi à la moitié de sa vie.
Les proportions relatives des divers éléments chimiques du Soleil et du système solaire sont connues grâce à deux sources principales :
*         L’analyse de la lumière émise par la surface du Soleil, la photosphère. Cette lumière est  la lumière visible, mais aussi les rayonnements non visibles à l’œil nu (les ondes radio, l’infrarouge, l’ultraviolet, les rayons X et gamma). Tous ces rayonnements forment le spectre du Soleil. Dans le spectre solaire, la trace des différents éléments chimiques est visible sous forme de bandes sombres, les raies d’absorption, qui permettent d’identifier chaque élément.
*        
*         L’analyse en laboratoire des météorites tombées sur Terre permet aussi de déterminer la composition chimique de la matière qui constitue le système solaire.

    
STRUCTURE DU SOLEIL
La surface du Soleil présente des taches sombres et des éruptions qui sont le signe d’une activité interne, turbulente et chaotique. On estime que les couches les plus externes du Soleil, soit les derniers 30% de son rayon, sont animées en permanence de mouvements convectifs qui transportent la matière vers la surface. On ne peut pas observer directement l’intérieur du Soleil. Pour comprendre la dynamique turbulente et l’activité magnétique du Soleil il est nécessaire de disposer d’un « modèle physique » complet, représentant sa composition interne, sa dynamique et son atmosphère.

HÉLIOSISMOLOGIE ET MODÉLISATION 3D : DES TECHNIQUES
POUR SONDER LE SOLEIL
Notre compréhension du Soleil a connu des progrès considérables au cours des trente dernières années. Il est à présent possible de sonder l’intérieur de l’astre grâce à l’héliosismologie, l’étude des vibrations solaires. Les mouvements internes du Soleil font « vibrer » le Soleil comme un tambour et créent des ondes acoustiques qui se propagent jusqu’à différentes profondeurs dans le Soleil. L’étude de ces ondes a permis de valider et d’améliorer les modèles de l’intérieur solaire en déterminant notamment la densité et la vitesse de rotation interne de l’étoile.


Le progrès des supercalculateurs a également permis le développement de codes de calculs les plus réalistes possibles, aptes à décrire la magnétohydrodynamique, c’est à dire les mouvements de la matière dans un champ magnétique à l’intérieur des étoiles, dont le Soleil. Ces simulations numériques sur ordinateurs permettent de reproduire actuellement l’amplitude des ondes qui parcourent le Soleil du cœur jusqu’à sa surface mais également de comprendre certains phénomènes, tels que la turbulence, la convection, les effets thermiques, radiatifs et visqueux ou encore la rotation différentielle (entre les pôles et l'équateur). Récemment, les chercheurs sont ainsi parvenus pour la première fois à réaliser une modélisation 3D de 97 % du volume du Soleil.



Pour mieux comprendre l’activité magnétique cyclique du Soleil (dont la période est d’environ 11 ans) et tenter de se protéger de ses effets sur la Terre, les astrophysiciens font aussi appel à la simulation par ordinateur. Ces simulations permettent de mieux comprendre le déclenchement des éruptions solaires qui affectent tout le système solaire. Celles-ci sont la source du vent solaire, un flot de particules qui s’échappe du Soleil et vient balayer la Terre, créant d’importantes perturbations électromagnétiques affectant les réseaux électriques, les communications et les satellites d’observation.

 

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La matière noire

Publié le 5 mai 2017

La matière noire est un sujet qui fascine par son côté obscur. Comme elle échappe à la détection, on ne sait pas si elle existe… c’est une traque de longue date qui stimule chercheurs et ingénieurs pour trouver sa trace expérimentale et prouver son existence. Elle expliquerait pourquoi notre Univers se compose de galaxies, d’amas de galaxies mais aussi de vides immenses. Cependant, si on ne la détectait pas, il faudrait revoir la théorie de la gravitation d’Einstein.

QU’EST-CE QUE LA MATIÈRE NOIRE ?

Notre Univers se compose de matière dite « ordinaire » qui va constituer tout ce qui nous entoure comme les atomes de notre corps, les étoiles ou les planètes. Afin d’expliquer certaines observations du cosmos, il existerait une autre matière, appelée matière noire, car elle ne rayonne pas dans l’Univers, ne réfléchit ni n’émet la lumière (n’interagit pas avec la force électromagnétique).
Elle serait apparue en même temps que la matière ordinaire après le big-bang, il y a 13,7 milliards d’années. Interagissant faiblement avec la matière ordinaire, elle échappe encore aux outils de détection.


A la différence de la matière ordinaire qui est sensible aux quatre interactions fondamentales : les forces nucléaires faible et forte, l’électromagnétisme et la gravitation, la matière noire ressentirait la force de gravitation et aussi, selon certains modèles, la force nucléaire faible.


POURQUOI LA MATIÈRE NOIRE EST-ELLE 
DIFFICILEMENT DÉTECTABLE ?

La matière noire n’a pas encore été détectée aujourd’hui parce qu’elle traverserait la matière ordinaire sans réagir avec elle ni par interaction forte ni par interaction électromagnétique. Il existe cependant des candidats de particules de matière noire qui pourraient interagir avec les noyaux par interaction faible.


DE QUOI LA MATIÈRE NOIRE SERAIT-ELLE CONSTITUÉE ?
Plusieurs modèles scientifiques existent pour tenter de caractériser les propriétés de la matière noire. L’un des plus avancés est celui des « wimps » (Weakly Interacting Massive Particles).

Selon ce modèle, la matière noire serait constituée de particules massives, donc sensibles à la gravitation, qui interagiraient aussi faiblement avec la matière ordinaire via la force nucléaire faible. La masse d’une particule de cette matière serait de 1 à 100 000 fois plus importante que celle d’un proton par exemple.

QUELS SONT LES INDICES DE L’EXISTENCE DE LA MATIÈRE NOIRE ?
Par déformation de l’espace, les astrophysiciens observent des « empreintes » où la matière noire serait présente. Deux indices montreraient l’existence de la matière noire dans l’Univers.

Indice n°1 : La lentille gravitationnelle ou le mirage gravitationnel
Selon la théorie de la relativité générale, les objets massifs déforment l’espace ; les rayons lumineux sont déviés. L’image d’une étoile située derrière un objet massif (appelé lentille), tel qu’un trou noir ou un amas de galaxies, nous parvient déformée. C’est l’effet de lentille gravitationnelle.

En étudiant cette déformation, les chercheurs peuvent déduire la masse totale de la lentille. En considérant la masse de matière ordinaire de celle-ci, on ne reproduit pas la déformation. C’est un indice de l’existence d’une masse supplémentaire : la matière noire.

Indice n°2 : La vitesse de rotation des étoiles dans une galaxie


Les galaxies tournent sur elles-mêmes. Les étoiles qui les composent sont soumises à deux forces à l’équilibre : la gravitation qui les attire vers le centre et la force centrifuge qui les repousse.
Plus la distance par rapport  au centre de la galaxie augmente, plus la gravitation faiblit ; la force centrifuge devrait aussi diminuer pour conserver l’équilibre afin que les étoiles restent dans la galaxie. Les chercheurs s’attendaient  à ce que les vitesses orbitales des étoiles externes décroissent (courbe bleue). Mais la courbe réellement observée se stabilise (en rouge).
C’est dans les années 30 que Fritz Zwicky relève cette anomalie dans le mouvement des galaxies en observant un amas. Il imagine une masse manquante invisible qui agirait par gravitation pour garder tel quel l’amas.
Son intuition était bonne. Dans les années 70, Vera Rubin fait le même constat, mais à l’échelle des galaxies : les étoiles tournent trop vite. L’hypothèse de la matière noire revient.
Dans les années 80, l’observation du fond diffus cosmologique (image la plus ancienne de notre Univers) montre que la densité de matière visible n’est pas suffisante pour former les grandes structures de l’Univers. La question de la matière noire s’impose.  

COMMENT RECHERCHER UNE MATIÈRE
SI ELLE EST INDÉTECTABLE ?
Pour découvrir la matière noire, les scientifiques ont trois stratégies possibles : détecter l’effet qu’elle induit sur la matière ordinaire, la produire par l’énergie dégagée lors de la collision de protons de haute énergie, ou encore observer les produits de l’annihilation de deux particules de matière noire qui se produit dans le cosmos.

Détecter la matière noire
Lorsqu’une particule de matière noire frappe un noyau de matière ordinaire, elle pourrait provoquer un recul de celui-ci. Détecter cet infime mouvement permettrait de signer son passage.
Pour être sûr de capter des événements si ténus, les détecteurs doivent être conçus dans un matériau très peu radioactif et protégés des radiations parasites afin de minimiser le bruit de fond qui cacherait le signal recherché.
Ceux de l’expérience Edelweiss sont donc abrités dans le laboratoire souterrain de Modane en France, à 1 700 mètres sous la montagne. Depuis sa création, l’expérience n’a détecté que des événements de bruit de fond et aucun signal compatible avec le passage d’une particule de matière noire. L’expérience continue à guetter une interaction qui prouverait leur existence.
Mais cette méthode directe ne permettra pas à elle seule de dresser la carte d’identité complète de ces particules. Pour cela, il faut les créer en laboratoire, notamment avec les expériences en cours au LHC (Large Hadron Collider, accélérateur de particules du Cern, à Genève en Suisse).

Produire de la matière noire
Il parait surprenant de dire que l’on peut produire de la matière. L’équation d’Einstein « E=mc² » montre qu’il est possible de créer de la matière (m) à partir d’énergie (E). C’est ce qui se serait passé lors du Big Bang où de l’énergie est devenue la matière de notre Univers.
Le LHC est une infrastructure scientifique où ont lieu des collisions de protons de très hautes énergies. L’énergie atteinte lors de la collision permet de créer des particules de très grandes masses dont théoriquement des particules de matière noire. Ces dernières ne laisseront pas de traces dans les détecteurs.  Dans le bilan d’énergie de chaque collision de protons, les chercheurs vont voir s’il manque de l’énergie. Si c'est le cas, cette perte d’énergie pourrait être affectée à la création de ces particules. C’est cette technique d’énergie manquante après la collision qui signerait la création d’un wimp. Cependant, depuis le début du LHC en 2009, aucun candidat n’a été trouvé.
La montée en énergie et en puissance du LHC va permettre de produire des particules de plus en plus massives et augmenter les probabilités de détection des événements rares, telle la matière noire. Si des particules de matière noire sont créées en laboratoire, encore faudra-t-il prouver qu’elles existent aussi dans l’Univers... et donc en trouver dans le cosmos à l’aide de télescopes.

Observer de la matière noire
Lorsqu’une particule et son antiparticule entrent en collision, on dit qu’elles s’annihilent. L’énergie de cette collision va créer de nouvelles particules. L’annihilation de deux particules de matière noire produirait des particules ordinaires détectables dont des photons de hautes énergies appelés rayons gamma. Ceux-ci sont particulièrement intéressants car ils se propagent en ligne droite, ce qui permet aux chercheurs de remonter à leur source. Lorsque ces rayons gamma atteignent l’atmosphère terrestre, ils interagissent avec les atomes de l’atmosphère et produisent une gerbe de particules secondaires, qui émettent un flash très ténu de lumière bleutée, la lumière Tcherenkov. C’est cette lumière, quasi-visible, qui est décelée par les télescopes au sol (comme l’expérience H.E.S.S. : High Energy Stereoscopic System) ou par les satellites dans l’espace (comme l’expérience Fermi).
En théorie, d’importantes densités de matière noire sont concentrées au centre des galaxies. C’est donc en direction du centre de la Voie lactée que les physiciens pointent leurs télescopes. Le signal attendu est beaucoup plus fort que celui en provenance des galaxies naines satellites, surveillées depuis l’espace.

QUELS ENJEUX AUTOUR DE LA MATIÈRE NOIRE ?
La cosmologie est la science qui vise à expliquer la naissance et l’évolution de l’Univers en une théorie avec un minimum de paramètres. Dans le cadre de la théorie de la gravitation d’Einstein, un des paramètres est la matière, incluant la matière noire, qui jouerait un rôle essentiel dans la création des grandes structures (le squelette de l’Univers).

Pour le moment aucune expérience - que ce soit en laboratoire ou en observant le cosmos - n’a encore prouvé l’existence de particules de matière noire mais, si elles existent, elles ne pourront pas éternellement échapper à la détection.

D’autres théories de la gravité cherchent à comprendre les observations sans postuler l’existence de matière noire. Pour arriver à reproduire les observations telles que les lentilles gravitationnelles par exemple, les théoriciens modifient les équations liées à la gravitation.

 

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L'ESSENTIEL SUR... Les galaxies

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L'ESSENTIEL SUR...
Les galaxies


Publié le 30 avril 2017
       
Notre Univers est composé de nombreuses galaxies, dont notre galaxie la Voie Lactée. Mais qu’est-ce qu’une galaxie ? Toutes les galaxies se ressemblent-elles ?  Comment les étudier et les décrire ? Quels sont les enjeux de la recherche sur ces objets spatiaux ? Lumière sur les galaxies.

QU’EST-CE QU’UNE GALAXIE ?

Dans le passé, l’Homme n’a observé que des « tâches floues », des nébuleuses de lumière dans lesquelles les premiers télescopes ne permettaient pas de distinguer individuellement les étoiles. Au fil du temps, les outils d’observation se sont améliorés. Ce n’est finalement que dans les années 1920 que les galaxies ont été décrites comme des systèmes constitués de milliards d’étoiles, de gaz et de poussières interstellaires. Les astrophysiciens ont aussi pu mettre en évidence un déplacement des galaxies et un mouvement de rotation de celles-ci sur elles-mêmes. Ce mouvement suggère que quelque chose d’autre, de très massif, compose également les galaxies. Cette matière invisible - car n’émettant pas d’elle-même de la lumière - , se manifeste seulement par la force gravitationnelle qu’elle exerce sur les étoiles dans une galaxie. Elle est dénommée par les astrophysiciens  « matière noire ».
A l’échelle de l’Univers, on peut assimiler une galaxie à un objet spatial unique, certes gigantesque et extrêmement massif, mais dont tous les éléments forment un ensemble cohérent, liés entre eux par la gravitation.


LES GALAXIES SONT-ELLES TOUTES SEMBLABLES ?
Dans l’Univers, il existe des centaines de milliards de galaxies qui se différencient par leur composition, leur âge, leur couleur, leur forme, leur activité et leur évolution.

Quel est le moteur de l’évolution
des galaxies ?
Les galaxies créent en leur sein de nombreuses étoiles et une même galaxie peut contenir plusieurs générations d’étoiles. Lorsqu’une galaxie produit beaucoup d’étoiles de manière simultanée, elle génère une « flambée de formation d’étoiles ». Les astrophysiciens considèrent que l’évolution des galaxies est liée à leur capacité à fabriquer des étoiles. Lorsqu’elle ne produit plus d’étoiles, une galaxie meurt. Mais cela ne signifie pas qu’elle se désintègre ou que toutes les étoiles s’y éteignent, certaines continueront à « vivre » pendant des dizaines de milliards d’années.

Comment évolue la composition
des galaxies ?

La composition des galaxies n’est pas immuable. Aujourd’hui, si 10%  de la masse d’une galaxie est composée de gaz, celui-ci représentait la moitié de sa masse il y a 9 milliards d’années. Cela signifie que quand l’Univers était plus jeune, il y avait une autre organisation des étoiles et des nuages de gaz interstellaire au sein des galaxies. De même, les poussières stellaires ne se sont formées qu’au fil de l’existence de l’Univers.

Quelles sont les grandes familles
de galaxies ?

Les galaxies spirales (l’essentiel des galaxies) contiennent de 10 à 100 milliards d’étoiles et produisent de 1 à 1 000 étoiles/an. Ces galaxies sont souvent constituées de bras qui s’enroulent sous forme de spirale en raison d’ondes de densité, des accumulations de matière liées à la rotation de la galaxie. Les galaxies elliptiques et irrégulières ont, quant à elles, un mouvement de rotation sur elles-mêmes moins prononcé. Les galaxies elliptiques (environ 20 % des galaxies de notre Univers) contiennent de 10 millions à 1 000 milliards d’étoiles. Celles-ci sont souvent très âgées au contraire des galaxies dites « irrégulières » (très peu nombreuses) qui abritent de 100 millions à 10 milliards d’étoiles, essentiellement très jeunes. Lorsque la masse d’une galaxie dépasse 10 milliards de fois celle du Soleil, on parle alors de galaxie massive et la plupart des chercheurs pensent qu’elles possèdent également un trou noir supermassif en leur centre.

LA COLLISION DES GALAXIES, 
UN BILLARD SPATIAL ?

Une galaxie se déplace dans l’espace et peut entrer en collision avec une autre galaxie, menant à une modification importante de leur forme. C’est essentiellement la gravité qui fait interagir ces corps stellaires. Mais une collision de galaxies ne signifie pas un choc violent d’une étoile contre une autre étoile car l’espace est très important entre les étoiles et ces collisions sont très rares. Seuls les nuages de gaz peuvent s’entrechoquer car ils sont beaucoup plus diffus. Le gaz va alors se comprimer et s’échauffer puis se refroidir, pouvant créer au passage de nouvelles étoiles.

Deux galaxies différentes peuvent aussi fusionner, menant à une réorganisation de la matière à l’intérieur d’un nouvel ensemble unique : les étoiles vont réorganiser leurs orbites et des étoiles peuvent même être éjectées en dehors de la galaxie fusionnée. La forme d’une galaxie, telle une cicatrice pour un humain, peut donc nous renseigner sur les événements ayant eu lieu dans sa vie.


ET LA VOIE LACTÉE ?
Contrairement à ce que l’on pourrait penser, la Voie Lactée, notre galaxie, qui nous entoure et dans laquelle le système solaire évolue, est assurément la plus connue mais également l’une des plus difficiles à observer et à étudier à l’échelle globale. Alors que l’on observe facilement les systèmes stellaires voisins, il est difficile de déterminer la couleur ou encore la masse totale des étoiles qui composent la Voie Lactée comme on le fait pour les autres galaxies. On ne peut en effet en sortir physiquement, pour en prendre une photographie d’ensemble. C’est pourquoi nous devons nous contenter d’observer la Voie Lactée depuis notre planète en émettant des hypothèses sur son évolution et son histoire. En réalisant un panorama du ciel qui nous entoure, on constate que la distribution des étoiles est aplatie et concentrée le long d’une bande laiteuse qui a donné le nom de la Voie lactée : cela signifie que nous ne sommes pas au centre de notre galaxie. Puis, en considérant le nombre d’étoiles dans toutes les directions, leur distance par rapport à notre système solaire, et en comparant ces observations à d’autres galaxies proches aux compositions et morphologies similaires, il est possible de reconstituer la forme et les bras de la Voie Lactée.


On a ainsi pu établir que notre Voie Lactée est une galaxie spirale de taille moyenne dont le disque fin comprend des bras spiraux, un bulbe, et un halo diffus d’étoiles et d’amas globulaires.  D’un diamètre d’environ 100 000 années lumières et relativement âgée, elle contiendrait environ 200 milliards d’étoiles et ne créerait seulement qu’une étoile par an. Sa masse (hors celle de la matière noire) est composée à 90 % d’étoiles, environ 10 % de gaz et 0,1 % d’autres corps (poussières, astéroïdes et planètes comme la Terre) et enfin à 0,1 % correspondant à son trou noir central. Celui-ci est 4 milliards de fois plus massif que le Soleil et nommé Sagittarius A*. Enfin, l’observation du bras d’étoiles Sagittaire nous apprend que la Voie Lactée est en partie le résultat de fusions avec plusieurs petites galaxies. Les modèles astronomiques prévoient également que notre galaxie fusionnera dans quelques milliards d’années avec la galaxie d’Andromède.


COMMENT OBSERVER ET CONSTRUIRE UNE IMAGE DE GALAXIE ?

Avec des techniques de spectroscopie, il est possible d’observer en lumière visible les étoiles et le gaz. En lumière infrarouge, ce sont les poussières interstellaires, provenant essentiellement des résidus d’étoiles mortes, que l’on peut voir par effet de contraste. Cela permet d’étudier l’évolution des galaxies. Plus les galaxies sont lointaines, plus elles sont difficiles à observer précisément.
En programmant un télescope de manière à prendre un cliché avec une très longue exposition à la lumière, on peut aussi voir plus d’étoiles et des petites galaxies moins lumineuses autour d’autres galaxies.
Cela peut paraître contre-intuitif mais plus une galaxie nous apparaît bleue, plus elle est chaude et lumineuse car constituée majoritairement d’étoiles jeunes. Et au contraire, les galaxies qui tendent le plus vers le rouge sont en moyenne composées d’étoiles âgées. En plus de l’âge des étoiles qui les composent, deux autres facteurs vont influer sur la couleur des galaxies: la quantité de poussières (plus il y en a, plus elles tendront vers le rouge) et l’expansion de l’Univers (qui crée un décalage des longueurs d’onde vers le rouge).


LES ENJEUX DE LA RECHERCHE AUJOURD’HUI ET DEMAIN

Observer des galaxies de plus en plus distantes permet de voir directement le passé car la lumière qu’elles nous envoient a mis des milliards d’années pour nous atteindre. Les astrophysiciens essayent de trouver les galaxies les plus anciennes afin de comprendre à quelle époque de l’histoire de l’Univers celles-ci se sont formées, si elles sont générées à partir d’un trou noir, comment elles ont évolué au cours du temps, comment elles continuent de former de nouvelles étoiles, etc. Etudier la distribution des galaxies dans le tissu cosmique permet aussi d’en apprendre plus sur l’expansion et la géométrie, courbée ou non, de l’Univers.
Cependant, il subsiste encore des débats sur certaines questions concernant les galaxies et notre Voie Lactée. Par exemple, toute la communauté scientifique est d’accord pour dire que la Voie Lactée est constituée d’un disque mais ne s’accorde pas encore sur son épaisseur. Un autre débat : pourquoi les galaxies ont-elles atteint leur pic d’activité en termes de formation d’étoiles il y a environ 9 milliards d’années ? De même, les chercheurs n’ont toujours pas réussi à trouver les étoiles dites de « première génération. » La communauté scientifique cherche aussi à comprendre quel est le rôle des trous noirs dans la dynamique de l’évolution des galaxies.

De nouveaux télescopes, tels que l’E-ELT (télescope géant européen) au sol et le JWST (James Webb Space Telescope) dans l’espace, et des missions spatiales comme la mission Euclid, consacrée à l’étude de l’énergie noire, sont actuellement développés afin de répondre à ces questions. Ils collecteront des données précises sur toutes les longueurs d’onde possibles émises par les galaxies et permettront de découvrir des galaxies plus petites tout en observant avec beaucoup plus de détails celles déjà connues. Ainsi, très récemment, le CEA a dirigé une collaboration internationale qui a détecté le plus lointain amas de galaxies jamais découvert dans l’Univers.

L’observation de cet amas, dont l’instantané a été pris lorsque l’Univers n’avait « que » 2,5 milliards d’années révèle plusieurs galaxies en pleines « flambées d’étoiles. »

 

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