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L'ASTROPHYSIQUE NUCLÉAIRE

Généalogie de la matière


En 1610, pointant sa lunette vers la Lune, Galilée vit des montagnes et en déduisit que la Lune était « terreuse ». Aujourd’hui, la Terre pourrait être qualifiée de céleste, car les éléments qui la composent ont été fabriqués dans les étoiles. L’étude systématique de la structure des noyaux, de leurs comportements et des réactions qui les mettent en jeu a eu un rôle central dans le développement de la théorie de l’origine des éléments.

Publié le 10 décembre 2015


UN PEU DE PHYSIQUE NUCLÉAIRE
Le noyau d’un atome est formé de particules appelées « nucléons » (protons et neutrons), liées entre elles. Le nombre de protons, Z, et le nombre de neutrons, N, varient d’un noyau à l’autre, et toutes les combinaisons (Z, N) ne sont pas possibles.
Neutrons et protons sont liés entre eux par la force nucléaire forte, dont le rayon d’action, très faible, est de l’ordre du millionième de milliardième de mètre (10–15 m). Elle est donc maximale lorsque les nucléons sont au contact ou très proches. Cependant, les nucléons situés près de la surface extérieure du noyau sont moins entourés et donc moins liés que ceux de l’intérieur ; ce déficit d’interaction diminue leur énergie de liaison.
Les protons, dotés d’une charge électrique positive, se repoussent entre eux sous l’effet de la force électrostatique. Cela occasionne une nouvelle diminution de l’énergie de liaison du noyau. Pour limiter cet effet, les noyaux les plus lourds présentent un excès de neutrons, dont la charge électrique est nulle. Par exemple, le noyau du plomb possède 82 protons et 126 neutrons. En revanche, les noyaux plus légers que le calcium (Z = 20) contiennent à peu près autant de protons que de neutrons. La plupart des noyaux ont la propriété d’avoir un nombre pair de protons et deneutrons. Il faut égrainer la liste des noyaux jusqu’au magnésium pour en rencontrer un ayant un nombre impair de nucléons.

Il existe un lien étroit entre microcosme nucléaire et macrocosme astronomique.

INVENTAIRE NUCLÉAIRE
Quels sont les noyaux que l’on trouve dans l’Univers et en quelles quantités ?
Il est possible de se faire une idée raisonnable en analysant la lumière émise par les étoiles grâce à la spectroscopie. Inventée à la fin du XIXe siècle, cette technique permet d’accéder à leurs caractéristiques intrinsèques (comme leur température, leur luminosité ou leur composition), marquant la naissance de l’astrophysique moderne.

Vallée de la stabilité

Les 256 noyaux stables que dénombre la physique nucléaire occupent une région bien définie appelée « vallée de stabilité ». Dans le prolongement de cette vallée, la répulsion électrostatique entre protons devient si forte qu’aucun noyau n’est stable au-delà du plomb (Z = 82). Là se trouvent des noyaux radioactifs naturels, dont certains comme le bismuth, le thorium ou l’uranium ont des durées de vie dépassant le milliard d’années.

UN EXEMPLE, LE SOLEIL
Le Soleil est l’étoile de la Terre. Bien que distant de 150 000 000 km environ, il est facile à étudier.
Les proportions relatives des divers atomes qui le composent sont mesurées par l’analyse du spectre de sa photosphère (sa couche externe, lumineuse). Cela ne donne que la composition de cette région externe, mais les chercheurs considèrent qu’elle est quasi identique à celle du nuage à partir duquel cette étoile s’est formée, il y a 4,56 milliards d’années.
La composition de la photosphère solaire peut être comparée à celle des météorites, seconde source d’information sur la composition du nuage protosolaire, à condition de prendre en compte les éléments les plus volatils (hydrogène, hélium, azote, oxygène et néon par exemple), qui s’en sont en partie échappés depuis leur formation. De plus, l’analyse des météorites en laboratoire permet de déterminer la composition isotopique de la matière du système solaire.
Ces analyses complémentaires fournissent la répartition des éléments et des isotopes caractérisant notre environnement local, véritable pierre de Rosette de l’astrophysique nucléaire.


La table de Mendeleïev
La table périodique des éléments de Mendeleïev permet de classer les différents éléments chimiques découverts à ce jour par nombre de protons dans le noyau, allant de 1 pour l’hydrogène à 92 pour l’uranium, et même plus pour des noyaux n’existant pas à l’état naturel et créés en laboratoire.

Elle spécifie les propriétés chimiques des éléments qui dépendent de leur nombre d’électrons. Dans l’Univers, les plus abondants sont, dans l’ordre décroissant, l’hydrogène et l’hélium, puis l’oxygène, le carbone, le néon, le fer, l’azote, le silicium, le magnésium et le soufre.

ASTRONOMIE ET
ASTROPHYSIQUE

L’astronomie traite de l’observation et du mouvement des objets célestes : Soleil, Lune, planètes, comètes, astéroïdes, étoiles. C’est, avec les mathématiques, la plus ancienne des sciences.

L’astrophysique étudie les propriétés physiques de ces objets, leur évolution et leur formation. Elle émerge à lafin du XIXe siècle.


Le diagramme d'abondance
Le diagramme d'abondance indique, pour chaque élément de la table périodique, la quantité trouvée dans le système solaire. Il est élaboré à partir de mesures et d’observations et est très précieux pour les astrophysiciens.


Sur cette échelle, le silicium, pris comme référence arbitraire, vaut un million.
Pour un million de noyaux de silicium, il y a dix milliards de noyaux d’hydrogène et les noyaux les plus simples, hydrogène et hélium, représentent à eux seuls 98 % de la masse du Soleil.
À partir du carbone, de l’azote et de l’oxygène, les noyaux sont de plus en plus rares, à l’exception notable du fer, dont le noyau est le plus robuste de la nature. S’il y a peu de lithium, béryllium et bore (Z = 3, 4 et 5) c’est que ces noyaux sont fragiles.
Ils ne sont pas produits par fusion thermonucléaire, mais par brisure des noyaux de carbone, d’azote et d’oxygène interstellaires sous l’impact de collisions avec les particules rapides du rayonnement cosmique galactique.

ALCHIMIE STELLAIRE

Une étoile s’accommode de sa perte d’énergie lumineuse en puisant dans ses ressources d’énergie nucléaire.
Il faut attendre le début du XXe siècle et le développement de la physique nucléaire pour que les astrophysiciens, qui cherchaient surtout à comprendre le mécanisme qui permettait à une étoile de briller durablement, répondent à la question : où se produisent les réactions nucléaires qui engendrent les noyaux ?
Une étoile est une sphère de gaz chaud dont la cohésion résulte de l’attraction gravitationnelle, qui tend à rapprocher le plus possible ses particules les unes des autres. L’étoile ne s’effondre pas sur elle-même, car la pression du gaz joue contre l’action de la gravité. Pour que cet équilibre soit stable, il faut que la pression augmente régulièrement avec la profondeur, de sorte que chaque couche pesante soit en équilibre entre une plus comprimée et une autre qui l’est moins. Comme un gaz comprimé s’échauffe, la matière stellaire est d’autant plus chaude qu’elle est profonde, et donc que sa pression est grande. Partant de quelques milliers de degrés en surface, la température peut atteindre, selon la masse de l’étoile, quelques dizaines à quelques centaines de millions de degrés dans les régions centrales.
Ce déséquilibre des températures entre le cœur et la surface engendre un transfert d’énergie qui prélève l’excès d’énergie thermique de la région chaude interne pour le céder à la région froide externe. En surface, ce flux d’énergie s’échappe, puis se dilue sous forme de rayonnement : l’étoile brille ; et ne peut briller durablement que si une source interne d’énergie vient compenser le rayonnement émis par la surface.

LES ÉTOILES,
DES RÉACTEURS NUCLÉAIRES

A la fin du XIXe siècle, aucune source d’énergie connue (gravitationnelle ou chimique) n’était capable d’expliquer que le Soleil ait pu briller plus d’un milliard d’années – âge que les géologues donnaient à la Terre – au rythme qui était observé. La solution fut apportée en 1921 par le physicien français Jean Perrin, suivi par l’Anglais Arthur Eddington, qui proposa les réactions nucléaires entre noyaux atomiques comme source de production d’énergie. Il estima que cette réserve d’énergie nucléaire était suffisante pour faire briller le Soleil pendant plusieurs milliards d’années, durée compatible avec l’âge de la Terre alors déterminé par les géologues. Cette idée fut développée quelques années plus tard par le physicien américain Hans Bethe, qui décrivit explicitement les réactions nucléaires qui devaient se produire au cœur du Soleil, travaux qui lui valurent le prix Nobel de physique en 1967.

La réaction de fusion nucléaire

La fusion est l’opération élémentaire d’un jeu de construction nucléaire qui permet de fabriquer tous les éléments. Si deux noyaux légers, comme ceux de l’hydrogène ou de l’hélium, fusionnent pour en former un autre plus lourd, cela dégage de l’énergie. Cette réaction est inhibée par la répulsion électrostatique entre noyaux, qui est d’autant plus forte que leur charge électrique est grande. Alliées à l'effet tunnel, les hautes températures se trouvant au cœur des étoiles peuvent vaincre cette répulsion.
Le centre du Soleil est la seule région où la température et la pression sont suffisamment élevées pour que ces réactions soient possibles. Elles transforment quatre noyaux d’hydrogène en un noyau d’hélium en libérant de l’énergie. Ce sont 619 Mt (millions de tonnes) d’hydrogène qui, chaque seconde, réagissent pour former 614,7 Mt d’hélium, la différence (environ 0,7 % de la masse initiale) étant transformée en énergie, qui compense celle qui s’échappe par la surface.
Finalement, durant la plus grande partie de sa vie, une étoile s’accommode de sa perte d’énergie lumineuse en puisant dans ses ressources d’énergie nucléaire.

LA PREUVE PAR LES NEUTRINOS
Depuis les années 1960, des instruments sont capables de détecter directement certaines des particules élémentaires produites lors des réactions nucléaires se déroulant au cœur des étoiles. Ces neutrinos, particules de la même famille que l’électron, transportant de l’énergie et dont la masse est très faible, sont détectés sur Terre par les expériences souterraines Gallex en Europe, Superkamiokande au Japon, SNO au Canada et Borexino en Italie. La mesure du flux des neutrinos solaires a apporté la confirmation directe de l’existence des réactions de fusion nucléaire.

 

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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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