Matière noire froide

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La matière noire froide (ou CDM, de l'anglais Cold dark matter) est une théorie améliorée à partir de celle du Big bang. Elle repose sur le postulat supplémentaire que la majeure partie de la matière de l'Univers serait constituée d'éléments non observables par le rayonnement électromagnétique (noire) et dont les constituants se déplacent lentement (froide). Actuellement (en 2006), la plupart des cosmologistes s'accordent sur le fait que la matière noire froide décrit comment l'Univers, dont la distribution est initialement homogène (comme le montre le rayonnement du fond diffus cosmologique), a pu résulter en une distribution grumeleuse des galaxies et de leurs amas observée aujourd'hui — les structures à grande échelle de l'univers. Cette théorie a été initialement publiée en 1984 par les physiciens américains Joël Primack, George Blumenthal, et Sandra Moore Faber.

Les trous noirs primordiaux de masses intermédiaires (créés lors du Big bang et non par accrétion de matière) comprise entre 30 et 300.000 masses solaires dans les halos galactiques sont compatibles avec les observations des grandes étoiles binaires de même qu'avec les microlentilles et la stabilité des disques galactiques[1],[2].

Dans la théorie de la matière noire froide, la structure s'accroît hiérarchiquement, les petits objets commençant par s'effondrer et fusionnant en une hiérarchie continue pour former des objets de plus en plus massifs. Dans le paradigme de la matière noire chaude, populaire au début des années 1980, la structure ne se forme pas hiérarchiquement (en montant), mais se forme plutôt par fragmentation (en descendant), avec les plus grands superamas formant les premiers, en feuilles aplaties comme des crêpes, puis se fragmentant ensuite en morceaux plus petits comme notre galaxie, la Voie lactée. Les prédictions de la matière noire chaude sont en profond désaccord avec les observations des structures à grande échelle, alors que le paradigme de la matière noire froide s'accorde généralement avec ces observations.

Cependant, trois contradictions majeures sont apparues entre les prédictions du paradigme de la matière noire froide et les observations des galaxies et de leur amassage dans l'espace qui ont créé une crise potentielle pour l'ensemble du concept.

  • Le problème de concentration du halo : la théorie de la matière noire froide prédit que la distribution de densité des halos de matière noire forment des pics beaucoup plus marqués que ce qui est prévu en observant les courbes de rotation des galaxies[3].
  • le problème de la galaxie naine : la théorie de la matière noire froide prédit l'existence de nombreuses petites galaxies naines dont la masse serait de l'ordre du millième de celle de la Voie lactée. Or elles n'ont pas été observées.
  • Le problème du moment angulaire : la théorie de la matière noire froide prédit une quantité significative de matière à faible moment angulaire, absente de la plupart des disques galactiques.

Tous ces problèmes se sont vu proposer un certain nombre de solutions. Cependant, on ignore toujours s'ils représentent une critique réelle pour le paradigme de la CDM ou une indication selon laquelle le modèle nécessite de plus amples développements[4].

La théorie CDM ne formule aucune prédiction sur la constitution exacte des particules de matière noire froide. Dans cette absence de clarté réside précisément une des grandes faiblesses de la théorie. Cependant, les candidatures se scindent selon trois catégories, chacune ayant été baptisée d'un nom humoristique, comme fréquemment en physique.

  • Les WIMPS (de weakly interactive massives particles, en français mauviettes) postulent que la matière noire est en quelque sorte une particule lourde de type inconnue. Malheureusement,il n'existe aucune particule connue possédant les caractéristiques attendues. Leur recherche compte des tentatives de détection directe à l'aide de détecteur à haute sensibilité ainsi que des essais de production dans des accélérateurs de particules.
  • Les axions constituèrent en réalité les premiers candidats pour la matière noire froide[5]. Leurs caractéristiques cosmologiques sont très différentes des autres particules du Modèle standard, étant potentiellement de la matière noire froide même avec une très petite masse[6]. Comme ils constituent une conséquence des solutions du problème CP fort en chromodynamique quantique ils sont également toujours hypothétiques et font l'objet d'une recherche active.

On pense également que la CDM peut être purement constituée de relicats de l'inflation en gravitation, appelées "particules X" [7] telles que les holeum (en)[8],[9].

Références[modifier | modifier le code]

  1. Frampton, Paul H. (2010) "Looking for Intermediate-Mass Black Holes" Nuclear Physics B - Proceedings Supplements 200-202:176-8, doi:10.1016/j.nuclphysbps.2010.02.080
  2. Goddard Space Flight Center, « Dark Matter may be Black Hole Pinpoints (La matière noire peut être identifiée aux trous noirs) »,‎ 14 mai 2004
  3. G. Gentile et P. Salucci, « The cored distribution of dark matter in spiral galaxies », Monthly Notices, vol. 351,‎ 2004, p. 903–922
  4. P. Kroupa, B. Famaey, Klaas S. de Boer, Joerg Dabringhausen, Marcel Pawlowski, Christian Boily, Helmut Jerjen et Duncan Forbes, « Local-Group tests of dark-matter Concordance Cosmology: Towards a new paradigm for structure formation », Astronomy and Astrophysics, vol. 523,‎ 2010, p. 32–54 Texte en accès libre sur arXiv : 1006.1647.
  5. (en) M. Turner, Axions 2010 Workshop, University of Florida, Gainesville, USA,‎ 2010
  6. (en) Pierre Sikivie, « Axion Cosmology », Lect. Notes Phys., no 741,‎ 2008, p. 19-50
  7. Cyrille Barbot, Ultra-high energy cosmic rays from super-heavy X particle decay
  8. L.K. Chavda & Abhijit Chavda, Dark matter and stable bound states of primordial black holes
  9. L.K. Chavda & Abhijit Chavda, Ultra High Energy Cosmic Rays from decays of Holeums in Galactic Halos

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Gianfranco Bertone, Particle Dark Matter: Observations, Models and Searches, Cambridge University Press,‎ 2010, 762 p. (ISBN 9780521763684)