Étudier la matière noire, la substance la plus mystérieuse de l'univers

La plus grande question en astronomie à l’heure actuelle est peut-être celle qui semble simple: de quoi est fait l’univers? Nous connaissons les protons, les neutrons et les électrons, et nous savons que ces particules se combinent pour créer l’univers que nous observons: étoiles, planètes, comètes et trous noirs.

Mais tout cela ne représente qu’une infime fraction de ce qui existe. La matière ordinaire, ce que les astronomes appellent matière baryonique, est minoritaire lorsque l’on considère notre univers dans son ensemble. L’univers est en fait dominé par la matière noire et l’énergie noire, deux choses mystérieuses que nous n’avons jamais détectées directement.

Pour sonder cette énigme la plus étrange, l'Agence spatiale européenne (ESA) construit l'espace Euclide télescope, un projet de pointe pour étudier à la fois la matière noire et l'énergie noire qui sera lancé en 2022.

Pour en savoir plus sur la façon dont vous construisez un outil pour rechercher quelque chose d'invisible, nous avons discuté avec René Laureijs, scientifique du projet Euclid.

Ne voir que les effets

La matière noire et l’énergie noire sont toutes deux des constructions théoriques, dans la mesure où nous avons de bonnes raisons de croire qu’elles existent, même si aucune n’a jamais été détectée directement. Au lieu de cela, nous savons qu’ils doivent être là parce que nous voyons leurs effets sur l’univers.

"La matière noire est quelque chose dont on ne voit que les effets", a expliqué Laureijs. « Donc, vous voyez quelque chose bouger, ou des choses s’attirer, et vous ne savez pas quelle en est la cause. Nous voyons aussi en astronomie que les choses sont attirées, ou que les choses bougent, et en regardant ce qui se passe autour, nous ne pouvons pas expliquer ces mouvements par la présence de matière ordinaire.

Cette attraction n’est vraiment perceptible qu’à très grande échelle, en regardant des objets de la taille d’une galaxie. Au début, les astronomes pensaient qu’il y avait peut-être quelque chose qui n’allait pas dans leur description de la gravité, et c’est pourquoi elle paraissait différente aux échelles astronomiques. Mais ils sont désormais largement convaincus que c’est une particule qui est à l’origine de ces effets, même si la détection de la particule elle-même constitue un défi permanent. « Nous ne l’avons jamais vu, mais nous voyons des preuves indirectes de quelque chose qui se comporte comme de la matière mais qui ne peut pas être vu. Et c’est ce que nous appelons la matière noire », a déclaré Laureijs.

Et puis il y a l’énergie sombre. C’est similaire à la matière noire dans le sens où c’est une construction utilisée pour expliquer des observations inattendues sur l’univers. Mais c’est très différent dans la mesure où les astronomes pensent qu’il pourrait s’agir d’une forme d’énergie plutôt que d’une particule. Il est utilisé pour expliquer l’expansion de l’univers. Nous savons que l’univers est en expansion, mais les observations faites dans les années 1990 à partir de nouveaux outils comme le télescope spatial Hubble ont choqué les astronomes en montrant que le taux d’expansion s’accélérait.

"C'est un effet très subtil, mais en mesurant avec précision les distances jusqu'aux galaxies lointaines, les gens ont découvert il y a 20 ans que l’univers non seulement est en expansion, mais qu’il s’étend de manière accélérée. Laureijs expliqué. « Cela signifie qu’il y a une énergie supplémentaire qui pousse les galaxies vers l’extérieur, et il s’avère que cette accélération a commencé à mi-chemin de l’âge de l’univers, il y a environ 6 milliards d’années. C'est vraiment un casse-tête de savoir pourquoi cela s'est produit. Il existe donc une force supplémentaire qui agit contre la gravité, poussant toutes les galaxies vers l’extérieur de manière accélérée, et c’est ce que nous appelons l’énergie noire. »

Ce qui est vraiment remarquable à propos de la matière noire et de l’énergie noire, c’est leur prévalence. Si l’on considère la composante énergétique totale de l’univers, estimations actuelles montrent qu’environ 68 % de l’univers est constitué d’énergie noire, tandis que 27 % sont constitués de matière noire. Toute la matière normale que nous voyons autour de nous – chaque étoile, chaque planète, chaque molécule de gaz – ne représente que 5 % de tout ce qui existe.

Il y a donc 95 % de l’univers que nous comprenons à peine. "C'est le plus grand casse-tête que nous ayons actuellement en physique et en astronomie", a déclaré Laureijs. "En tant qu'astronome, c'est vraiment formidable d'être à ce moment-là et de travailler sur ce problème."

Comment chasser l'invisible

La méthode traditionnelle de recherche de l’énergie noire consiste à mesurer l’expansion de l’univers en observant les supernovae. Si une supernova explose dans une galaxie lointaine, nous pouvons suivre l’énergie qu’elle dégage pour estimer à quelle distance elle se trouve – mais il existe limites de cette approche. Ainsi, au cours des dernières décennies, deux nouvelles méthodes ont été conçues pour mesurer l’expansion de l’univers, et Euclide utilisera les deux.

La première méthode consiste à examiner la répartition des galaxies à travers l’univers. Les astronomes examinent la distance d'une galaxie et observent son redshift (le degré auquel la lumière de cette galaxie est décalée vers l'extrémité rouge du spectre), et à partir de là, ils peuvent déterminer à quelle vitesse la galaxie s'éloigne de nous.

La deuxième méthode consiste à observer répartition de la matière noire. Nous savons que la distribution de la matière ordinaire suit la distribution de la matière noire, et qu’il y a bien plus de matière noire que de matière ordinaire. Les effets gravitationnels de la matière noire peuvent être observés grâce à une technique appelée lentille gravitationnelle, dans laquelle la masse de la matière noire courbe la lumière autour d’elle.

C’est pourquoi Euclide recherche à la fois la matière noire et l’énergie noire – car en apprendre davantage sur l’une peut également nous en apprendre davantage sur l’autre.

Un niveau de précision incroyable

Pour collecter les types de données nécessaires à l’étude de l’énergie noire et de la matière noire, les outils sont conceptuellement relativement simples. Euclide dispose de deux instruments principaux: une caméra/spectromètre infrarouge et une caméra optique géante.

L'instrument infrarouge dispose de divers filtres et prismes réseau qui lui permettent de mesurer le redshift des galaxies lointaines, ce qui montre à quelle distance elles s'éloignent de nous. La caméra optique est une mosaïque de 36 capteurs qui donnent une résolution totale de plus de 600 mégapixels, ce qui donne des images extrêmement nettes, comme une version beaucoup plus précise d'un appareil photo numérique. Et puis il y a le télescope lui-même avec son miroir de 1,2 mètre.

Le défi de la construction du matériel réside dans le niveau incroyablement élevé de précision requis. Les distorsions recherchées par les scientifiques en raison de la présence de matière noire et d'énergie noire sont si faibles que les instruments doivent être incroyablement sensibles, capables de détecter même les plus petites fluctuations des lectures. Mais cela signifie que toute modification de l’environnement du télescope lui-même peut fausser considérablement les données. Même quelque chose d'aussi petit que l'allumage de l'électronique à l'intérieur du satellite sera perceptible dans les lectures effectuées.

"Le télescope a été construit de telle manière qu'il est extrêmement stable et donne des images très nettes", a déclaré Laureijs. « Et il a un très grand champ de vision. Si vous mettez tout ensemble – un champ de vision stable, net et large – vous obtenez un design impossible! C’est donc très difficile.

L'une des façons dont l'équipe aborde ce problème de conception consiste à placer le télescope dans l'espace, où il se trouvera dans un environnement bien plus éloigné. environnement stable et peut capturer des images quatre à cinq fois plus nettes que l'image la plus nette pouvant être capturée à partir de Terre. Mais il reste le problème de la lumière du soleil, car l’ajustement du satellite par rapport au soleil modifiera la quantité de chaleur qu’il reçoit. Même un changement de quelques milliwatts d’énergie suffit à être détecté par les instruments.

Le plus gros problème auquel les concepteurs de télescopes doivent faire face est celui de l’expansion. Lorsque les matériaux deviennent chauds, ils se dilatent et même une infime fluctuation de température peut faire gonfler certaines parties du télescope et introduire des distorsions dans les données.

En conséquence, la plupart des composants d’Euclide sont fabriqués à partir d’un matériau remarquable appelé carbure de silicium. Cette céramique a un coefficient de dilatation extrêmement faible, ce qui signifie qu'elle se dilate très peu lorsqu'elle chauffe. Et comme il est utilisé dans tous les instruments, s’il s’étend, il le fait de manière égale. Même les cadres des capteurs sont en carbure de silicium, tout comme le miroir principal du télescope. Le miroir a été poli avec une tolérance de quelques nanomètres, un processus qui a pris près d’un an.

Tous ces soins signifient que le satellite est extrêmement stable et sera capable de capturer des images nettes et précises.

Offrir quelque chose à l'humanité

Même si l’étude de la matière noire et de l’énergie noire revêt une grande importance pour la physique théorique, cette chasse peut également avoir des implications pratiques. Premièrement, le matériel conçu pour des projets comme Euclid et les techniques de mesure développées pourraient être utilisés dans de nombreux domaines différents. Deuxièmement, il y a la richesse des données qu’Euclide collectera.

"Avec nos données, nous mesurons non seulement l'énergie noire et la matière noire, mais nous prenons également des photos de tout ce que nous voyons dans le ciel sur ces longueurs d'onde", a déclaré Laureijs. « Il y a donc beaucoup plus d’astronomie là-dedans. Et c’est aussi une partie passionnante, car nous offrons quelque chose de si nouveau à l’humanité, aux astronomes. Dans huit ans, vous pourrez consulter le site Web de l’ESA, vous rendre n’importe où dans le ciel et voir à quoi il ressemble, avec une résolution énorme, à une profondeur d’il y a 10 millions d’années.

Cependant, la recherche de la matière noire et de l'énergie noire consiste avant tout à comprendre comment notre univers fonctionne sur les bases les plus fondamentales. niveau, et répondre à une question tout à fait déroutante à l’heure actuelle: « Ce que nous voyons autour de nous ne représente que 5 % de ce qu’il y a dans notre univers. Les 95 % restants sont constitués de matière noire et d’énergie noire, ce que nous pouvons difficilement expliquer », a déclaré Laureijs. "C'est, pour moi, la raison fondamentale pour laquelle nous faisons Euclide."

C’est cette question étrange et inexplicable de la composition de l’univers qui anime les scientifiques, les ingénieurs et les astronomes qui travaillent sur la matière noire. Parce que ce que nous voyons autour de nous ne fait qu’effleurer la surface de ce qui existe dans l’inconnu.