09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?

Amas de galaxies Cl 0024+17.

La physique contemporaine n’a pas donné la réponse à toutes les questions qu’elle posait. En effet, si elle a permis d’étudier de nombreux phénomènes, les lois qu’elle a mis en évidence ne se rejoignent pas dans les domaines où elles sont censées agir conjojntement ou concurremment. Essentiellement (mais pas seulement), la physique quantique ne rejoint pas la physique relativiste.

D’autre part, des questions restent pendantes :

d’où viennent les masses ?

pourquoi y a-t-il de la matière et pas autant d’antimatière ?

comment se sont formées les étoiles

comment se sont formées les galaxies

pourquoi l’expansion des galaxies s’accélère

qu’est-ce que l’espace, le temps par rapport aux masses

comment la discontinuité peut-elle se marier avec la hérarchie des univers et les sauts

Ces questions n’ayant pas reçu de réponse complète dans aucun des modèles proposé, la physique rajoute à ses modèles des rajouts ad hoc comme le boson de Higgs, la matière noire, l’énergie noire ou encore la constante cosmologique. Malgré ses rajouts, et même si certains d’entre eux se révélaient vérifiés par l’observation (ce qui n’est la cas d’aucun d’entre eux pour le moment), il faudrait encore une théroie qui permette de calculer les masses, de confirmer les dates et les modes de formation de la matière, de la lumière, des étoiles, des galaxies et l’accélération de l’expansion. Ce n’est nullement le cas dans les modèles mathématiques actuels.

Ils ont tous l’inconvénient d’utiliser une mathématique des nombres et une géométrie continus.

Ils ont tous également l’inconvénient d’utiliser une logique non dialectique.

Voyons comment le physicien Lee Smolin expose ces problèmes dans "Rien ne va plus en physique".

« Ces dernières années, les astronomes ont réalisé une expérience très simple, au cours de laquelle ils ont mesuré la distribution des masses dans une galaxie de deux façons différentes et ont comparé les résultats. Premièrement, les astronomes ont mesuré la masse en observant les viteses orbitales des étoiles ; deuxièmement, ils ont fait une mesure plus directe de la masse en comptant les étoiles, le gaz et la poussière qu’ils voyaient dans la galaxie. (…) Les deux méthodes devraient s’accorder l’une à l’autre. Or, elles ne sont pas d’accord. Les astronomes ont comparé les deux méthodes de mesure de la masse pour plus de cent galaxies différentes. Dans presque tous les cas, les deux mesures divergent, et la différence entre les valeurs est loin d’être petite, mais plutôt de l’ordre d’un facteur dix. De plus, l’erreur va toujours dans le même sens : on a toujours besoin de plus de masse pour expliquer le mouvement observé des étoiles que ce que l’on calcule par comptage direct des étoiles, du gaz et des poussières. (…) S’il existe une matière que nous ne voyons pas, elle doit se trouver dans un état et sous une forme nouvelle, qui n’émet, ni ne reflète la lumière. Et, puisque la divergence des résultats est aussi grande, la majorité de la matière au sein des galaxies doit exister sous cette nouvelle forme. (…) (…) Dans chacune des galaxies où l’on a rencontré le problème, celui-ci affecte seulement les étoiles dont le mouvement s’effectue au-delà d’une certaine orbite. A l’intérieur de cette orbite, il n’y a pas de problème : l’accélération est ce qu’elle devrait être si elle était produite par la matière visible seule. Par conséquent, il semble qu’il existe une région à l’intérieur de la galaxie où les lois de Newton sont validées et où il n’y a pas besoin de matière noire. Au-delà de cette région, les choses se compliquent. (…) Lorsqu’on s’éloigne du centre de la galaxie, l’accélération décroît, et un taux critique se révèle, qui marque la fin d’applicabilité des lois de la gravitation de Newton. Lorsque l’accélération des étoiles dépasse la valeur critique, la loi de Newton marche, et l’accélération qu’elle prédit est observée. Dans ce cas, il n’existe aucun besoin de postuler l’existence de la matière noire. Mais lorsque l’accélération observée est plus petite que la valeur critique, elle ne s’accorde plus avec la prédiction de la loi newtonienne. Cette accélération spéciale est proche de c²/R, c’est-à-dire de la valeur de l’accélération produite par la constante cosmologique ! (…) L’échelle c²/R caractérise le lieu où, pour les galaxies, la loi de Newton ne s’applique plus. Les astronomes l’appellent « loi de Milgrom » du nom du physicien Mordehaï Milgrom qui l’a découverte au milieu des années 1980. (…) L’échelle R est une échelle de tout l’univers observable, qui est infiniment plus grand que n’importe que n’importe quelle galaxie individuelle. C’est à cette échelle cosmologique qu’advient l’accélération c²/R ; comme nous l’avons vu, il s’agit du taux auquel s’accélère l’expansion de l’univers. Il n’existe aucune raison pour que cette échelle joue un rôle quelconque dans la dynamique d’une galaxie individuelle. Pourtant, ce fait empirique nous a été imposé par les données. (…) L’échelle c²/R pourrait caractériser la physique des particules de la matière noire. Si cela est vrai, alors il existe un lien entre la matière noire et la constante cosmologique. La matière noire et l’énergie noire sont toujours des phénomènes distincts, mais apparentés. L’autre possibilité est qu’il n’y a pas de matière noire et que la loi newtonienne de la gravitation cesse de s’appliquer là où les accélérations deviennent aussi petites que la valeur particulière c²/R. (...)

Puis les choses sont devenues encore plus mystérieuses. Récemment, on a découvert que selon des observations à des échelles encore plus grandes, qui correspondent à des milliards d’années-lumière, les équations de la relativité générale ne sont pas satisfaites même en rajoutant la matière noire. L’expansion de l’univers, démarrée avec le Big Bang il y a quelque 13,7 milliards d’années, s’accélère, tandis que si l’on tient compte de toute la matière observée, plus la quantité calculée de la matière noire, l’expansion de l’univers devrait au contraire ralentir. (…) Peut-être, comme pour le problème précédent, quand on a atteint cette échelle, les lois de la relativité génrale ne sont simplement plus applicables. Une autre possibilité serait l’existence d’encore une nouvelle forme de matière – ou d’énergie selon la loi d’Einstein qui montre l’équivalence entre masse et énergie). Cette nouvelle forme d’énergie entrait en jeu seulement à des échelles très grandes, c’est-à-dire qu’elle n’affecterait que l’expansion de l’Univers. (…) Cette étrange nouvelle énergie que l’on envisage pour que les chiffres correspondent aux données s’appelle « énergie noire ». La majorité des types de matière se trouvent sous pression, mais l’énergie noire exerce une tension – c’est-à-dire qu’elle retient et ramène les choses ensemble, au lieu de les écarter. C’est pour cette raison que la tension est parfois dite de « pression négative ». (…) Les observations récentes nous révèlent un univers qui, en grande partie, est constitué d’inconnu. 70% de la matière est sous forme d’énergie noire, 26% sous forme de matière noire et seulement 4% sous forme de matière ordinaire. En conséquence, moins d’un vingtième de la matière est observée expérimentalement… »

Lee Smolin expliquait dans le même ouvrage :

"La constante cosmologique est caractérisée par une échelle, l’échelle de la distance à laquelle elle courbe l’univers. Appelons cette échelle R. Sa valeur est d’environ 10 milliards d’années-lumière, ou dix puissance 27 centimètres. Ce qui est bizarre concernant la constante cosmologique, c’est que son échelle est énorme comparée aux autres échelles en physique. (…) Les observations les plus précises que nous ayons en cosmologie sont les mesures du fond diffus cosmologique. Ce phénomène est un rayonnement laissé par le Big Bang qui arrive vers nous depuis toutes les directions du ciel. Il est purement thermique – c’est-à-dire aléatoire. Il s’est refroidi au fur et à mesure de l’expansion de l’univers et a maintenant la température de 1,7 degrés Kelvin. Cette température est uniforme partout dans le ciel à un très haut degré de précision mais, au niveau de quelques parties sur cent mille, il existe des fluctuations. (…) Un autre trait que nous observons dans ces données est qu’il existe très peu d’énergie à la longueur d’onde la plus grande. (…) On pourrait l’interpréter comme une coupure au-dessus de laquelle les modes sont beaucoup moins excités. Il est intéressant de noter que cette coupure se situe à l’échelle R, associée à la constante cosmologique. L’existence d’une telle coupure serait énigmatique du point de vue de la théorie du début de l’Univers la plus largement acceptée, qui s’appelle « inflation ». Selon cette théorie, l’Univers s’est étendu exponentiellement vite à une période extrêmement ancienne. L’inflation explique la quasi-uniformité du fond diffus, en assurant que toutes les parties de l’univers que nous voyons aujourd’hui auraient pu se trouver en contact fortuit lorsque l’univers était encore à l’état de plasma. La théorie prédit des fluctuations dans le fond diffus cosmologique, dont on pense qu’elles sont des résidus des effets quantiques, en action pendant la période d’inflation. (…) Si l’inflation a produit un univers uniforme à l’échelle où nous l’observons, il est probable qu’elle ait produit un univers uniforme à une échelle beaucoup plus grande. Ceci implique, à son tour, que les motifs des fluctuations causées par l’inflation doivent rester les mêmes quelle que soit la profondeur de notre regard expérimental. (…) Au lieu de cela, l’expérience montre que les fluctuations cessent au-dessus de l’échelle R. "

sur la matière et l’énergie noire

sur la matière noire

Les articles de Lee Smolin en anglais

L’énergie noire

Matière et énergie sombre

Des étoiles aux atomes

Matière noire et énergie sombre

Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l’astrophysique)

* 01- Les contradictions des quanta

* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide

* 03- Matière et lumière dans le vide

* 04- Le vide, … pas si vide