Les observations astrophysiques contemporaines suggèrent que la composition de l’Univers se répartit approximativement en :
- 5% de matière ordinaire ;
- 25% de matière noire ;
- 70% d’énergie noire.
Précisons la signification des deux expressions : « matière noire » et « énergie noire ».
Matière noire
Modélisons une galaxie par une distribution de masse à symétrie sphérique, de centre O et de rayon R. La théorie de la gravitation de Newton montre qu’un corps d’épreuve tournant autour de cette distribution sur un cercle, à une distance r du centre O (r > R), devrait posséder une vitesse inversement proportionnelle à la racine du rayon r, donc d’autant plus petite que le corps d’épreuve est éloigné de la distribution.
Or, certaines observations astrophysiques d’étoiles situées à la périphérie d’une galaxie montrent que cette décroissance de la vitesse n’est parfois pas observée (cf. X 2003 PC). Du point de vue gravitationnel, tout se passe comme si la galaxie possédait une distribution de matière plus importante, qui s’étendrait à une distance R’ > R, la matière comprise entre les rayons R et R’ n’émettant pas de lumière, demeurant invisible aux télescopes. Cette hypothétique matière non-lumineuse est appelée « matière noire ».
Énergie noire
A une beaucoup plus grande échelle spatiale, on observe que l’Univers est en expansion : les galaxies lointaines s’éloignent les unes des autres. Des observations récentes, réalisées en 1998 par Perlmutter, Schmidt et Riess, montrent que cette expansion s’accélère ; ces auteurs ont obtenus le prix Nobel de physique 2011.
Une façon simple de modéliser cette accélération de l’expansion consiste à donner une valeur non-nulle à un terme appelé « constante cosmologique » dans les équations d’Einstein de la relativité générale (c’est le scalaire Λ du membre de gauche de la formule qui orne le haut de cette page). Cette constante cosmologique fut introduite par Einstein lui-même en 1917, dans le but de construire un modèle d’Univers statique. En effet, à cette époque, les maigres observation astrophysiques disponibles semblaient suggérer que l’Univers était statique, les galaxies alors connues semblant approximativement immobiles les unes par rapport aux autres. C’est l’astronome Hubble qui, en 1929, découvrira que l’Univers est en réalité en expansion.
Si l’on fait passer la constante cosmologique du membre de gauche au membre de droite, ce terme peut être interprété comme une densité volumique d’énergie du vide.
Si la théorie quantique des champs prédit bien l’existence d’une énergie du vide non-nulle, dont certains effets sont observés, le « Modèle Standard » ne permet pas actuellement de rendre compte de la valeur de la constante cosmologique nécessaire pour décrire l’expansion de l’Univers. Cela suggère l’existence d’une nouvelle forme d’énergie invisible, appelée « énergie noire ».
Orientation bibliographique :
- Matière noire (sujet X-ESPCI 2003 PC + corrigé)
- Françoise Combes ; La matière noire dans l’univers, Collège de France (2014), leçon inaugurale + cours.
- Richard Taillet ; La matière noire, Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de Physique Théorique, en ligne.
- Nathalie Palanque-Delabrouille ; Énergie noire et matière noire, Institut d’Astrophysique de Paris (5 avril 2011), vidéo.
- Michel Cassé ; Énergie noire, Matière noire, Éditions Odile Jacob (2004), ISBN 978-2-7381-1325-2, présentation de l’éditeur.
- Katherine Freese ; The Cosmic Cocktail: Three Parts Dark Matter, Princeton University Press (2014), ISBN 978-0-691-15335-3, présentation de l’éditeur.
- Sean Carroll ; Dark Matter Exists, CalTech (2006), en ligne.
- Sean Carroll ; Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe, CalTech, en ligne.