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LE COTE OBSCUR DE LA FORCE

Que vous soyez déçus ou rassurés, il faut que vous sachiez que cette PdQ ne sera pas consacrée à Star Wars. Dans l’inconscient humain, l’ombre et l’obscurité sont synonymes de l’inconnu et aussi du danger. Il est donc naturel que dans le panthéon qui réunit les grands objets et phénomènes spatiaux on ait réservé le qualificatif “noir” à ce qui inquiète un peu et à ce que nous ne pouvons pas encore comprendre. Notre première approche concernera les Trous noirs, ces gouffres spatiaux qui comme des bulles du Big Bang avalent les étoiles sans même envoyer un éclair de satisfaction. Dans un tout autre domaine, nous parlerons ensuite de l’énergie sombre et de la matière noire.
Deux concepts hypothétiques pour cacher l’ignorance (actuelle) des astrophysiciens bien mis dans l’embarras par des constats d’observation qui ne correspondent pas aux calculs théoriques.

 

FORCES FONDAMENTALES

Les différentes composantes de l’Univers obéissent à des lois et quatre Forces Fondamentales règlent toutes les interactions élémentaires de la matière. Il faut les rappeler en insistant sur celles qui sont des axiomes de la physique classique et que nous connaissons bien:

la gravitation et l’électromagnétisme

Les deux autres interactions concernent les atomes et les particules et sont décrites dans la physique quantique. Ce sont l’Interaction nucléaire forte et l’Interaction nucléaire faible. Elles mettent en jeu des forces considérables comme le montre l’énergie nucléaire, sans comparaison avec celles bien plus faibles de la gravitation et de l’électromagnétisme mais avec un champ d’action limité à l’échelle de l’atome.

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LA GRAVITATION

Depuis Isaac Newton et la chute d’une pomme, cette force attractive qui agit sur les masses a été décrite et exprimée par l’équation simple F= g. (Ma x Mb) / d². Elle est fonction du produit des masses qui s’attirent et elle est divisée par le carré de leur distance. C’est la plus faible des forces fondamentales, mais son action sans limites dans l’Univers s’applique à d’énormes masses de matière: les planètes, les étoiles, les galaxies, les amas de galaxies. C’est aussi la force qui conditionne de la façon la plus visible les formes de la vie.

L’ELECTROMAGNETISME

L’interaction électromagnétique est connue depuis l’Antiquité comme une force susceptible d’attirer certains objets. C’est ce que l’on observe avec des bouts de plastique frottés qui attirent des morceaux de papier ou encore avec des aimants qui attirent certains métaux. Cette force est due aux charges électriques qui peuvent être négatives ou positives, elle peut être attractive (Plus <-> moins)  ou répulsive (Plus >-<plus  et moins >-<moins). C’est la deuxième force que l’on rencontre le plus dans la vie courante puisqu’on la retrouve dans la formation des molécules et les réactions chimiques, les ondes électromagnétiques (lumière, radio, radars, rayons X , etc)  et plus prosaïquement dans le fonctionnement des moteurs électriques. Comme elle est due essentiellement aux électrons et aux ions et pas aux atomes qui forment l’essentiel de la matière, son rayon d’action est limité.

 

TROUS NOIRS

Le nom vient du fait qu’en observant l’Univers les astronomes ont relevé certaines zones d’où n’émanait aucun rayonnement dans aucune longueur d’onde. Une zone noire dans un univers pourtant si généreux en émissions de toutes natures. De quoi intriguer!

FORMATION D’UN TROU NOIR

Selon leur masse (de 10 à des millions de masse solaire), on distingue plusieurs catégories de trous noirs et il subsiste  beaucoup de questions sur leur origine et leur formation. Prenons l’exemple du trou noir stellaire qui est le mieux expliqué

Vie et mort d’une étoile

Sous l’effet de la gravité des masses de matière (hydrogène) s’assemblent pour former une étoile naissante et la température croit au cœur de cet amas pour atteindre quelques dix millions de degrés et enclencher la fusion nucléaire, transformer l’hydrogène en hélium et dégager beaucoup de chaleur. Tant qu’il reste du combustible, les réactions thermonucléaires créent une pression radiative qui équilibre la gravité: le volume de l’étoile ne varie pas. Quand il n’y a plus de combustible pour alimenter les réactions, la gravité prend le dessus et les lourds noyaux des atomes s’agglomèrent en une masse considérable dans un très faible volume. Par exemple, une étoile d’un diamètre de 10 millions de km concentrera sa masse dans une sphère de 50 km de diamètre en s’effondrant sur elle-même à la fin des réactions nucléaires.

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Caractéristiques du trou noir

D’après les étapes de sa création, il est clair que nous n’avons pas un trou, mais bien une sphère de matière très dense entourée d’une zone appelée “horizon des évènements” où la force de gravitation et la vitesse de libération qu’elle impose tendent vers des valeurs infinies. Rappelons que plus un corps est massif, plus la vitesse de libération, celle qu’il faut donner à un objet pour qu’il échappe à la gravité, est grande. Ainsi pour quitter la Terre, une sonde doit atteindre une vitesse  d’au moins  11,2 km/s.
Dans un trou noir, nous changeons d’échelle puisque la vitesse de libération est bien au-delà de la vitesse de la lumière (300.000 km/s) et qu’aucun photon, ni aucune matière ne peuvent s’échapper de l’astre. Pour un observateur, cette zone est totalement NOIRE.
Si le trou noir crée une anomalie gravitationnelle et affecte l’espace-temps autour de lui, il  respecte  à distance  les lois de la physique pour la gravitation et l’électromagnétisme. C’est un objet comme un autre dans la composition de l’Univers.

Divers types de trous noirs

Ce phénomène de concentration extrême de la matière est assez généralisé dans l’Univers et il existe des trous noirs de tailles très différentes. Les trous noirs stellaires décrits ci-dessus viennent d’une étoile massive comme dix ou vingt fois le Soleil. Au cœur des galaxies, on trouve des trous noirs super massifs atteignant des millions de fois la masse solaire. Il existe une classe intermédiaire entre ces catégories extrêmes avec des milliers de masses solaires.
Les trous noirs forment en astrophysique un domaine où se rejoignent les déductions théoriques  et l’observation pour décrire une singularité particulière de l’Univers. Ce sont aussi des points de non-retour où l’on passe de l’autre côté d’un miroir, thèmes appréciés de la science-fiction et de la presse à sensation.
En résumé, rien à craindre, aucun trou noir n’avalera la Terre!

 

MATIERE NOIRE et ENERGIE SOMBRE

Voilà deux concepts nouveaux qui n’ont rien à voir avec les trous noirs dont l’existence était suspectée dès le XVIIIème siècle. Il faut partir des modèles cosmologiques qui depuis Einstein décrivent l’Univers par le calcul et vérifient l’exactitude des prévisions par l’observation. Quand les mesures de plus en plus précises diffèrent trop fortement des calculs, il faut admettre que le modèle est imparfait et chercher la modification qui comblera cette différence. Pour trouver l’équilibre, on ajoute une inconnue au système  en se proposant de rechercher ce qu’elle peut bien représenter.  Rappelons-nous la constante cosmologique d’Einstein pour rendre homogène  son équation de la relativité générale

MATIERE NOIRE

Plusieurs approches permettent de calculer la masse d’une galaxie. Une masse dynamique d’après la 3ème loi de Kepler à partir de la vitesse V de certaines étoiles  en orbite circulaire à une distance R autour de l’astre de masse M. [M=(V²x R)/G] et une masse lumineuse basée sur le spectre et les photons émis par l’astre. On tolère quelques écarts dus aux méthodes de mesure, mais plusieurs expériences ont été faites et elles ont abouti à des masses dynamiques plusieurs centaines de fois plus élevées que les masses déduites des émissions lumineuses. C’est comme si une masse invisible et indétectable s’ajoutait à celle de la matière constituant la galaxie: la MATIERE NOIRE.
Cette découverte déclencha une série de recherches pour décrire la matière noire et trouver ses propriétés et parallèlement suscita des théories pour en expliquer l’origine. Cette quête se poursuit avec sérieux, mais non sans humour. En effet, deux théories s’opposent. L’une qui débute dans des nuages de gaz à faible température avant de s’étendre aux galaxies et aux amas de galaxie. Cette faible interaction est soutenue par les partisans du WIMP, le Weakly Interacting Massive Particles. L’autre théorie part d’une origine à très haute température qui ne s’applique d’abord qu’aux super amas de galaxies, puis aux amas de galaxies, aux galaxies, etc. On lui donne le nom de MACHO (Massive Compact Halo Object).
Notez qu’à côté de Macho, Wimp veut dire mauviette en anglais!!
D’après les mesures du satellite Planck, près de 85% de la matière dans l’Univers serait cette matière noire si mal connue.

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ENERGIE SOMBRE

Des étoiles en excès de vitesse ont mis à mal la cosmologie dans les amas de galaxies et ont obligé à imaginer la matière noire pour respecter les lois fondamentales. Cette anomalie ne concerne que la matière et disparait dans le grand vide qui forme l’Univers.
La question de l’énergie sombre est de toute autre nature puisqu’elle bouscule la notion d’univers fixe pour nous plonger dans la relativité générale.

Décalage des fréquences vers le rouge

Tout vient d’observations de galaxies faites dans les années 1920 qui d’après leur composition chimique devaient émettre un spectre de couleurs définies et qui à l’observation s’étaient décalées vers le rouge. La fréquence des ondes observées avait diminué par rapport à celle attendue. Nous connaissons un phénomène comparable avec le sifflet d’un train qui se rapproche puis d’éloigne de la gare: c’est l’effet Doppler  qui nous indique que la locomotive s’approche ou s’éloigne de nous.

Expansion de l’Univers

Les galaxies observées s’éloignaient mais, vue la distance, cela ne pouvait être attribué à un simple effet Doppler dans l’Univers immuable de la mécanique classique. La seule explication était que l’Univers se dilatait sans que les objets qui s’y trouvent soient modifiés tant la force de gravité en maintient la cohésion.  Pour l’imager, voyez la bande élastique de ce sandow où sont plantées des punaises de couleurs: l’étirement n’affecte pas la taille des punaises.
Cette expansion concordait bien avec le Bigbang, cette explosion initiale de matière très chaude et on prévoyait qu’elle irait en s’atténuant au fur et à mesure du refroidissement dans l’espace.

Accélération de  l’expansion

Les observations de l’espace lointain n’ont cessé de s’améliorer et en 1998, l’étude de super novas Type 1a, celles qu’on appelle chandelle cosmique tant leur émission est stable a de nouveau bouleversé ce bel équilibre. Au lieu de diminuer, l'expansion de l’Univers accélère.
 Il a bien fallu trouver une explication. La plus simple serait qu’il existe dans l’Univers une forme d’énergie inconnue et atypique. Elle serait comme une gravitation négative qui au lieu d’attirer repousserait les corps. Sa densité très faible (10-29 g/cm3) fait qu’elle n’a pas d’influence sur les amas de matière, mais comme elle emplit le grand vide le l’Univers, elle en est la composante majeure avec 68% de la densité d’énergie totale. Le reste de l’énergie est dans la matière classique et surtout dans la matière noire.
On l’appelle l’ENERGIE SOMBRE (ou noire), ce qui exprime bien la grande ignorance de la science actuelle sur cet élément qui est encore plus perturbateur que la matière noire limitée aux galaxies et avec laquelle il ne faut pas la confondre.

 

LES SATELLITES

Il ne faut pas oublier les satellites et les observatoires qui ont permis de compléter le dossier sur les trous noirs et les formes méconnues d’énergie. Les études se font dans de larges plages de fréquences avec une préférence pour les rayons-X qui sont le dernier soupir émis par la matière surchauffée absorbée par un trou noir. Le télescope Chandra (Advanced X-ray Astrophysics Facility ) est le moyen le plus performant, mais de nombreux autres satellites ont apporté leur contribution à ces recherches. Il faut noter aussi que les observatoires comme ALMA au Chili (Atacama) déjà présenté sur le site AACE et le couple Gemini placé à Hawaï et au Chili ( Cerro Pacha).

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CONCLUSION

La science progresse de façon admirable, mais il faut se souvenir qu’elle pose plus de questions qu’elle n’apporte de solutions. Ce parcours du côté obscur de la cosmologie nous rappelle la modestie qu’il faut garder dans nos affirmations scientifiques et  il ouvre la porte à tous les scénarios fantastiques  sur le destin de l’Univers selon l’évolution de l’énergie sombre.
Soit elle augmente et dilue tout dans l’Univers: c’est le Big Rip. Soit elle diminue et laisse œuvrer la gravitation qui nous engloutit dans un trou noir: c’est le Big Crunch. Comme ce n’est pas pour demain, toutes les hypothèses sont admissibles. Pourquoi pas la vôtre?

 

 

Textes : Jack Muller - Illustrations: Internet

crédits image: http://hubblesite.org/gallery http://www.esa.int/