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[EN VIDÉO] Interview : quelles particules composent la matière noire ? Selon les calculs et les observations, il existerait dans l’espace une grande quantité de matière invisible. Cette masse mystérieuse, baptisée matière noire, est encore aujourd’hui une énigme à laquelle se frottent de nombreux chercheurs. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Richard Taillet, chercheur au LAPTH, afin qu’il nous en dise plus sur cette matière noire.
Toutes les mesures concernant l’Univers observable nous indiquent qu’il est très majoritairement composé de matière et pas d'<a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-antimatiere-4998/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Antimatière" data-number data-copy="L'antimatière est une forme "miroir" de la matière. Elle a été prédite en 1931 par Paul Dirac à partir de l'équation qu'il a découverte presque par des considérations purement mathématiques et esthétiques en cherchant une forme relativiste pour l'équation de Schrödinger des électrons.
Il a…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/a/e/d/aedbc58f55_50034838_img022.jpg” data-url=”/sciences/definitions/physique-antimatiere-4998/” data-more=”Lire la suite”>antimatière
Les théories établies par la physique s’appliquent dans des cadres bien définis.
La physique…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/8/9/6/896f032c90_91933_physique-def.jpg” data-url=”/sciences/definitions/physique-physique-15839/” data-more=”Lire la suite”>physique connue implique qu’autant de matière que d’antimatière aurait dû être produite pendant cette période très chaude et très dense du cosmos connu, alors que pas même des noyaux d’atomes n’existaient encore.
On pourrait imaginer que l’antimatière et la matière se sont réparties comme l’eau et l’huile dans une <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/chimie-emulsion-3304/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Émulsion" data-number data-copy="Une émulsion est un mélange hétérogène de deux liquides normalement non miscibles mais qui se mélangent finalement, sous l’effet d’une agitation ou de l’ajout de principes actifs, par exemple.
Émulsion en chimie : exemple de l’huile dans l’eau
Au niveau macroscopique, une…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/5/0/b/50b622aa9d_80556_emulsion.jpg” data-url=”/sciences/definitions/chimie-emulsion-3304/” data-more=”Lire la suite”>émulsion mais l’on aurait alors potentiellement à petite échelle des zones de contact entre ces régions qui conduiraient à des annihilations entre particules de matière et d’antimatière, générant un flux de rayons gamma notable. On n’observa rien de tel dans l’Univers connu qui ne semble donc contenir ni galaxie ni étoile faites d’antimatière.
Toutefois, on observa bien des anti-électrons et des anti-protons dans le flux de <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/univers-rayon-cosmique-2446/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Rayon cosmique" data-number data-copy="Particule chargée très rapide en provenance du milieu interstellaire. Ces particules sont surtout des protons (85%), des noyaux d'Hélium (14%), des électrons (1%) et d'autres noyaux atomiques.
Leur énergie est typiquement de 1 GeV (l’énergie qu’aurait un électron accéléré par une tension…” data-url=”/sciences/definitions/univers-rayon-cosmique-2446/” data-more=”Lire la suite”>rayons cosmiques en dehors de la Terre, comme l’a montré notamment le détecteur AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) à bord de l'<a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/astronautique-station-spatiale-internationale-2571/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Station spatiale internationale" data-number data-copy="Depuis le 1er vol du Russe Youri Gagarine en 1961, les Hommes n'ont cessé d'imaginer des moyens de plus en plus innovants pour accéder et évoluer durablement dans l'espace.
La Station spatiale internationale (ISS), seule station orbitale en service, représente une étape majeure pour la…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/d/3/4/d34dc1c390_50084100_iss-01.jpg” data-url=”/sciences/definitions/astronautique-station-spatiale-internationale-2571/” data-more=”Lire la suite”>ISS. On sait aussi qu’en rapport avec l’explosion de supernovae, des processus d’accélération de particules se produisent dans la Voie lactée conduisant des particules de matière à entrer en collision, ce qui donne des réactions productrices d’antimatière. On sait également que les pulsars, ces étoiles à neutrons très denses et en rotation, peuvent produire des particules d’antimatière, surtout des positrons, les antiparticules des électrons. Les éjectats de <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/univers-supernova-60/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Supernova" data-number data-copy="Une supernova est l'explosion cataclysmique d'une étoile qui, pendant un temps, peut briller plus vivement qu'une galaxie entière composée de centaines de milliards d'étoiles. On distingue essentiellement deux grandes familles de supernovae : les SN II et les SN Ia.
Extrait du…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/a/9/4/a940132305_50034136_supernova1987a.jpg” data-url=”/sciences/definitions/univers-supernova-60/” data-more=”Lire la suite”>supernovae contiennent aussi des éléments radioactifs qui se désintègrent en donnant des positrons.
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Une courte présentation des pulsars. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard
Des positrons de pulsar ou de matière noire ?
Au final, il doit donc y avoir un tout petit peu d’antimatière, produit par des sources astrophysiques, qui circule à travers les <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-champ-magnetique-3878/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Champ magnétique" data-number data-copy="Le terme de champ magnétique désigne une région de l’espace soumise à l’action d’une force provenant d’un aimant. Il caractérise également l’influence d’une charge électrique en mouvement et exerce, réciproquement, son action sur les charges en mouvement.
Champ magnétique, aimant et champ…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/6/a/a/6aa47f5f22_85914_champ-magnetique.jpg” data-url=”/sciences/definitions/physique-champ-magnetique-3878/” data-more=”Lire la suite”>champs magnétiques turbulents de notre Galaxie à la façon des particules de pollen effectuant un mouvement brownien stochastique. Mais la quantité de positron découvert par AMS et d’autres détecteurs en orbite est plus élevée que prévu.
Certains y voient une preuve indirecte de l’existence des particules de matière noire postulée par le modèle cosmologique standard. En effet, certaines théories proposées concernant ces particules non seulement leur permettent de s’annihiler en entrant en collision, ce qui produit des antiparticules de matière normale, mais impliquent que ces annihilations sont plus fréquentes au cœur des galaxies, là où de la matière noire se concentrerait d’après ces théories.
Mais beaucoup d’astrophysiciens pensent que les mesures de flux de rayons cosmiques anormales concernant l’antimatière peuvent aussi très bien s’expliquer par la présence relativement proche du Système solaire, à l’échelle de la <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/univers-voie-lactee-3729/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Voie lactée" data-number data-copy="La Voie lactée est le nom de notre galaxie. Foyer du Système solaire, elle est de type spiral, s’étend sur environ 100.000 années-lumière et contient 100 à 400 milliards d’étoiles. À cela il faut ajouter au moins autant de planètes.
Depuis la Terre, on ne peut observer qu’une coupe transversale…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/7/7/7/777b761907_120668_voie-lactee-galaxie.jpg” data-url=”/sciences/definitions/univers-voie-lactee-3729/” data-more=”Lire la suite”>Voie lactée, d’une population de pulsars encore non détectés.
La découverte aujourd’hui annoncée par un groupe de chercheurs et concernant le pulsar PSR J2030 + 4415 (encore appelé J2030) qui est situé à environ 1.600 années-lumière du <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/univers-soleil-3727/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Soleil" data-number data-copy="Etoile centrale du système solaire.
Le Soleil est l’étoile la plus proche de la Terre, dont elle est distante d’environ 150 millions de kilomètres. Le Soleil est situé à 8,5 kparsecs du centre de la Voie lactée. Dans la classification des étoiles, le soleil est une étoile de type G2.
La masse…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/1/d/9/1d9cd1d45f_50034577_eruption.jpg” data-url=”/sciences/definitions/univers-soleil-3727/” data-more=”Lire la suite”>Soleil en direction de la <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/univers-constellation-21/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Constellation" data-number data-copy="Dessin d'étoiles aléatoire dans le ciel nocturne produit par des alignements d'étoiles de différentes luminosités, et située à des distances différentes. Il y a 88 constellations – 48 étaient connues des anciens Grecs, et les 40 autres ont été ajoutées après 1600.
Ensemble de petits satellites…” data-url=”/sciences/definitions/univers-constellation-21/” data-more=”Lire la suite”>Constellation du Cygne n’est donc pas anodine. Elle est exposée dans un article publié dans The Astrophysical Journal dont une version est en accès libre sur arXiv.
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Une présentation de la découverte avec le pulsar J2030. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory
Les astrophysiciens ont regardé de plus près les émissions dans le domaine des <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-rayon-x-1002/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Rayon X" data-number data-copy="Le rayon X est un rayonnement électromagnétique composé de photons de 5 picomètres à 10 nanomètres. Utilisé dans la cristallographie et l'imagerie médicale, il fut découvert en 1895 par le physicien Wilhelm Röntgen.
Inventé en 1895 par Wilhelm Röntgen
Invention des rayons X
La découverte des…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/d/0/d/d0d21d96c0_50034252_372px-backscatter-x-ray-image-woman-02.jpg” data-url=”/sciences/definitions/physique-rayon-x-1002/” data-more=”Lire la suite”>rayons X du pulsar et ont découvert que le faisceau de particules de matière et d’antimatière, mis en évidence déjà en 2020, était bien plus important et long que prévu selon les observations faites avec le célèbre satellite Chandra de la Nasa. Les données collectées en février 2021 montrent que le jet de particules est trois fois plus long qu’on ne le pensait et qu’il dépasse les 60.000 milliards de kilomètres, c’est-à-dire presque 6 années-lumière ! C’est un record et c’est impressionnant quand on réalise que le diamètre d’une étoile à neutrons est de quelques dizaines de kilomètres tout au plus.
Le jet de particules doit contenir une importante quantité d’antimatière sous forme de positrons et le fait qu’il s’étende aussi loin de sa source implique que les pulsars peuvent injecter bien plus de positrons dans le milieu interstellaire qu’on ne le pensait. C’est donc une raison de plus de penser que le flux d’anti-électrons détecté avec AMS n’est en réalité pas anormal et qu’il ne témoigne pas de l’existence des particules de matière noire.
Une production d’antimatière en cascade
Donnons quelques explications sur l’origine de ces jets de particules émis, on le pense, aux pôles magnétiques des pulsars.
On sait, en effet, comme prédit par la théorie, que l'<a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/planete/definitions/developpement-durable-eboulement-6515/" class="tooltip-link" data-color="light-green" data-title="Éboulement" data-number data-copy="Un effondrement ou un écroulement est une désolidarisation soudaine et brutale d’une structure naturelle (falaise) ou artificielle (mur, bâtiment) avec chute des matériaux.
Lorsque cet écroulement concerne des roches cohérentes, on peut aussi parler d’éboulement rocheux.
Le résultat de cette…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/f/6/7/f678fd3677_50035322_eboulement-cmic-blog-cc-nc-2.jpg” data-url=”/planete/definitions/developpement-durable-eboulement-6515/” data-more=”Lire la suite”>effondrement gravitationnel d’une étoile en rotation aboutissant à la formation d’une étoile à neutrons en rotation rapide, qui se signale parfois comme un pulsar par ses impulsions radio collimatées, amplifie considérablement le champ magnétique initial de l’étoile.
À la surface de l’étoile à neutrons en rotation rapide dans son propre champ magnétique, la théorie de la relativité implique que ce champ donne aussi un <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/matiere-champ-electrique-3880/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Champ électrique" data-number data-copy="Grandeur vectorielle E, à l'origine des forces électriques (force de Coulomb). Unité : volt par mètre (V.m-1).
Le champ électrique est une notion qui remonte aux travaux de Coulomb (1785), c’est le champ de force associé à une charge électrique unité. Il dérive du potentiel électrique.
Le…” data-url=”/sciences/definitions/matiere-champ-electrique-3880/” data-more=”Lire la suite”>champ électrique puissant pour un observateur au repos à la surface <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/chimie-solide-15332/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Solide" data-number data-copy="Avec notamment l’état liquide et l’état gazeux, l’état solide est l’un des états de la matière. Dans l’état solide, ions, atomes ou molécules sont fortement liés les un(e)s aux autres et ne disposent que de très peu de liberté de mouvement.
Cristaux et solides amorphes
À l’échelle…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/e/6/8/e6888a7dfb_82227_solide.jpg” data-url=”/sciences/definitions/chimie-solide-15332/” data-more=”Lire la suite”>solide de l’étoile. Ce champ arrache des électrons aux atomes de fer de sa <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/planete/definitions/structure-terre-croute-terrestre-2491/" class="tooltip-link" data-color="light-green" data-title="Croûte terrestre" data-number data-copy="La croûte terrestre correspond à la couche superficielle et rigide du globe. Son épaisseur est variable et dépend notamment du type de croûte en présence, puisqu'il en existe deux.
la croûte continentale forme, comme son nom l’indique, les continents. Elle est essentiellement de nature…” data-image=”https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/midioriginal/7/d/1/7d1ca441ac_44707_def-epaisseur-croute-terrestre-usgs.jpg” data-url=”/planete/definitions/structure-terre-croute-terrestre-2491/” data-more=”Lire la suite”>croûte et les accélère au point qu’ils émettent des <a data-tooltip href="https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-photon-3500/" class="tooltip-link" data-color="purple" data-title="Photon" data-number data-copy="Particule élémentaire (quantum) de la lumière. Un photon est un boson.
Le nom photon vient du grec et signifie "lumière". En effet, le photon transmet l’interaction électromagnétique, la lumière étant un exemple d’onde électromagnétique.” data-url=”/sciences/definitions/physique-photon-3500/” data-more=”Lire la définition”>photons gamma. Ces photons sont suffisamment énergétiques pour produire par divers processus d’électrodynamique quantique des paires d’électron-positron qui, à leur tour, sont accélérés et rayonnent des photons gamma pouvant produire à nouveau d’autres paires de particules et d’antiparticules.
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