Énergie noire, matière noire ?

Comment les scientifiques en sont venus à imaginer cette force, ou cette matière dont nous n' avons aucune preuve d'existence ?

Sans cette matière noire, quels sont les calculs dans l'univers (masse des galaxies, attraction etc.) qui ont fait qu'il devait exister quelque chose qui gérait l'équilibre de ce que nous voyons ?

Bonjour Line !

on ne t'as pas trop vue ces derniers temps. Tu vas bien ?

Oui... alors, tu te demandes comment les scientifiques en sont venus à parler d'énergie noire et de matière noire.

D'abord, faut pas tout confondre :

1- L'énergie noire est le terme aujourd'hui utilisée par les physiciens, ou les cosmologistes si tu veux, pour désigner un machin responsable de l'expansion de l'espace.
Le machin en question est omniprésent dans l'univers, se manifeste ou se mesure plus particulièrement dans le vide intergalactique, inter-amas, inter super-amus, inter-plus-grand et inter-plus-grand-encore. C'est une forme d'énergie hypothétique dotée d'une pression négative qui le fait se comporter comme une force antigravitationnelle.
Et oui, ce qu'ont constaté les astronomes est que certaines étoiles dont on connait bien les caractéristiques ont la fâcheuse tendance, à quelques exceptions près, à s'éloigner de nous, quelles que soient les directions dans lesquelles elles se trouvent dans le ciel. De plus, non seulement elles s'éloignent, mais de surcroît, plus elles sont éloignées de nous, plus leur vitesse d'éloignement est grande.
Depuis Einstein, on sait qu'il ne s'agit en réalité pas d'une vraie vitesse mais qu'il s'agit de l'expansion de l'espace lui-même, un peu comme s'il s'agissait d'un gaz qui se détend.
Un gaz qui se détend, on imagine bien ce que ça donne, ça se dilate au début fort puis ça ralentit gentiment. Ce qui est dingue pour notre univers observable, c'est que c'est tout le contraire :
Plus les années passent, plus l'univers observable se dilate rapidement !
Tu comprends bien que cela scotche tout le monde. Et comme on n'a pas la moindre queue de cerise pour savoir pourquoi, et ben... on se met à délirer avec des trucs du style "magie noire" parce que on n'y comprend que dalle. Voilà pourquoi cette énergie est dite noire (ou sombre).

2. La matière noire, c'est autre chose, et même le contraire de l'énergie noire car il s'agit de gravitation (attractive), et non d'antigravitation (répulsive).
Ce qui surprend les astronomes et les cosmologistes, c'est que les nombreuses galaxies en spirale qui sont observées (et il y en a un gros paquet) ne se comportent pas comme elles devraient : Si ce que les astronomes observent correspond bien à toute la masse des galaxies (et pour ça, il faut observer toutes les longueurs d'ondes de la lumière qu'on reçoit d'elles), donc si on est sûrs de notre coup sur le contenu en matière (la matière, celle qu'on connait, quoi) des galaxies et leur distribution de matière dans l'espace, et bien, ça va pas : la périphérie des galaxies tourne trop vite.
Et, ce qu'on constate, c'est que ces galettes spiralées que sont les galaxies spirales tournent comme s'il s'agissait de crêpes plutôt rigides, avec donc la périphérie qui tourne à une vitesse angulaire trop grande... trop vite pour être compatible avec ce que l'on sait calculer de leur vitesse orbitale autour du centre de la galaxie, occupé par un trou noir massif.
Donc, on en conclut qu'on n'a pas vu toute la matière, mais on est un peu coincé parce que on a vraiment passé en revue toutes les longueurs d'onde possibles. C'est donc une matière spéciale qui n'émet aucun rayonnement - Nada, walou ! - mais qu'on suppose répartie autour de la galaxie comme un gros cocon - con ! - pour qu'on arrive à coller à la réalité en simulation numérique.

Les trucs !

Le premier truc, c'est que c'est pas systématiquement pile poil aussi recta que ça.
(comme d'hab, y-a toujours des machins qui font exception)
Le second truc, c'est qu'on dispose aujourd'hui d'une théorie de l'espace/matière/temps qui s'appelle la Relativité Générale (pondue par Albert, après de nombreuses années de sueur, en 1915) qui est assez discrète dans son interprétation sur ce que pourrait être l'antigravitation. Donc, pas simple !
- Est-ce la théorie qui est incomplète ?
- Sont-ce les observations qui foirent un peu, ou beaucoup ?
La vérité est certainement que c'est les deux... ça, c'est facile à dire, mais dis-moi comment tu peux causer de choses que tu ne peux approcher. Donc, c'est hard !

D'autres que moi, j'espère, te parleront de théories, d'observations,etc.
Je leur laisse donc la place...

Bonne journée, Line !

Merci d'avoir remarqué mon absence, je vais très bien, je vais toujours très bien.

Formidable, tu réponds vraiment à ma question, voilà ce qui me turlupine depuis pas mal de temps:
Comme toutes les galaxies spirales ou pas, possèdent un trou noir en leur centre, j'ai bêtement pensé que c'était ce trou noir qui attirant la matière, par son attractivité, expliquait le maintien et la rotation autour de ce trou noir. Mais cela n'explique pas cette absence de masse qui résulte des calculs et non plus l'accélération de rotation des galaxies.
Donc il y a bien quelque chose, et à priori de la matière invisible pour l'humain.
Ce qui m'intrigue c'est que cette "matière noire" n'émette  aucun rayonnement, n'est-il pas possible de la détecter avec la courbure de l'espace ? comme les lentilles gravitationnelles qui nous permettent de voir plus loin que le bout de notre nez,  enfin, c'est juste une pensée....

Absolument, on détecte bien aussi la présence de matière invisible par l'effet de lentille gravitationnelle. C'est une des raisons pour lesquelles les explications à base de modification des lois de la gravitation aux grandes distances (théorie MOND) ont plus ou moins du plomb dans l'aile. 

Quoique, bon, aux dernières nouvelles, il y a moyen de tripoter les équations pour "faire aller" quand même. M'enfin tout ça renifle fort le bricolage "ad hoc". 

Wait and see.

Line !

Il parait que l’espace lui-même tourne autour d’un trou noir. Les physiciens appellent ça l’effet Lense-Thirring.

J'ai lu ça dans Futura :

L'effet Lense-Thirring, qui est une sorte de tourbillon de l'espace autour d'un objet en rotation, a été observé près de la Terre. Aujourd'hui, des astrophysiciens, utilisant des télescopes spatiaux sensibles aux rayons X, viennent d'en repérer les effets tout près d'un trou noir stellaire. En plus de donner la solution d'une énigme astrophysique concernant les astres compacts, cette observation ouvre de nouvelles perspectives pour découvrir une nouvelle physique.

Quelques années après la publication par Albert Einstein de sa théorie de la relativité générale, deux physiciens autrichiens, Josef Lense et Hans Thirring, en ont découvert une implication curieuse mais logique : la rotation d’un objet génère un effet particulier sur l’espace-matière-temps qui l’environne. En effet, d’après le principe d’équivalence à la base de la théorie d’Einstein, il n’est pas possible de savoir localement si l’on est au repos dans un champ de gravitation ou bien dans un référentiel accéléré, par exemple à l’intérieur d’une fusée.

Localement toujours, on ne devrait pas, d’une certaine façon, distinguer l’accélération que subit un objet sur un disque en rotation et celle générée sur cet objet par un corps en rotation (sans le disque) dans un référentiel au repos autour de ce corps. Tout se passe donc comme si l'espace et ce référentiel étaient entraînés dans un mouvement de rotation, à l'instar de l'effet d'un tourbillon dans l'eau. Il en résulte en particulier qu’un gyroscope en orbite autour de la Terre subira des modifications de la direction de son axe initialement pointé vers une étoile, comme s'il était dans un référentiel en rotation. Connu sous le nom d’effet Lense-Thirring, ce phénomène a finalement été mis en évidence en 2011 (grâce à l’expérience à bord du satellite Gravity Probe B).

Pourquoi l'émission de rayons X par certains trous noirs oscille-t-elle ?

Depuis le début des années 1990, les astrophysiciens suspectent que cet effet était peut-être la clé d’une énigme, celle de curieuses variations presque périodiques des émissions X de certains trous noirs, découvertes au début des années 1980. Cette hypothèse semble accréditée par une récente publication sur arXiv de chercheurs qui ont utilisé les observatoires X en orbite, les satellites XMM Newton de l’Esa et Nustar de la Nasa.

À l'aide de ces deux instruments, ils ont observé un trou noir stellaire de notre Voie lactée, H1743-322. Il fait partie d’un système binaire situé à environ 28.000 années-lumière du Soleil près du centre de notre Galaxie. Ce trou noir est entouré d’un disque d’accrétion constitué par la matière qu’il arrache à son étoile compagne par sa force de gravité. H1743-322 présente, depuis des années, des variations presque périodiques de ses émissions X, ou QPO (Quasi Periodic Oscillations).

Parmi les hypothèses avancées pour expliquer ces QPO, l'une fait intervenir un effet Lense-Thirring particulièrement fort généré par le trou noir en rotation sur son disque d’accrétion. Sa partie la plus proche de l’horizon des évènements se mettrait à effectuer des mouvements de précessions. Il en résulterait ces fluctuations transitoires et presque périodiques des émissions du plasma chaud de cette région, porté à plusieurs millions de degrés, observées sous forme de QPO.

"comment savoir, avec tous ces leurres : trous noirs, lentilles gravitationnelles, espace courbe ?"

C'est beaucoup plus que ça !

Il faut y ajouter l'espace lui-même en rotation !

... c'est à dire qu'un objet massique pourrait tourner autour du trou noir à la vitesse de rotation de l'espace, sans aucune force centrifuge ! Bien entendu, dans la réalité, l'objet à aussi une vitesse dans le référentiel d'espace tournant...

En cosmologie comme dans beaucoup d'autres domaines scientifiques, on frise parfois le dogme.
C'est bien le cas du "modèle cosmologique standard" (le Big Bang), qui au fil des découvertes se trouve affublé de rustines toujours plus grosses pour tenter de l'empêcher de se dégonfler.

Le supposé épisode de l'inflation post-big-bang, la structure de l'Univers à grande échelle et l'expansion accélérée ont amené non pas à des « amendements » comme disent pudiquement ses fan's, mais à accoucher de monstres aussi énigmatiques que noirs.
Pour éviter aux galaxies de se disloquer (la périphérie de notre galaxie - et d'autres - tourne à une vitesse 10 fois supérieure à la vitesse de libération calculée à partir de la masse galactique estimée).
Qu'à cela ne tienne !
Pour éviter qu'elle n'explose, à défaut de trouver assez de matière dispersée de façon vraisemblable et de particules indétectables, on ajoute 5 fois plus de matière « noire » hypothétique (indétectable autrement que par son effet gravitationnel), on sort du chapeau wimps et machos pour que les équations dynamiques collent aux observations.

A ce stade, la densité énergétique de l'Univers (paramètre essentiel de la Relativité) serait constituée de 5% de matière « normale » et 27% de matière « noire ».
Quid des 68% restants ? Eureka ! On a trouvé (?) « l'énergie noire » répulsive ! Bien plus incertaine en fait que le côté obscur de la Force dans Star Wars.
Pour expliquer la structure alvéolaire (comme une mousse) de l'Univers à l'échelle au-delà de quelques centaines de millions d'AL le modèle standard se voit affublé de ce monstre qui arrive – laborieusement – à faire fonctionner les simulations.
Donc plus on « apprend », plus on ne sait rien (ça me rappelle une célèbre chanson de Jacques Dutronc)



Alternative ?

Il y en a une au moins pour simplifier ce fatras, la théorie de l'Univers gémellaire (ou bi-métrique), qui sur la base d'une hypothèse essentielle, explique bien les observations.
L'univers aurait deux « versants » complémentaires et interpénétrés, l'un (le notre) constitué de ce qu'on appelle matière et un autre d'antimatière (symétrie CPT), pas l'antimatière qu'on arrive à produire dans des accélérateurs (symétrie C), mais une antimatière (symétrie CPT) rétrochrone et … de masse négative (répulsive avec « notre » matière).

Un aperçu :
http://sboisse.free.fr/science/cosmologie/twin.php
Cette dernière est tout à fait compatible avec la RG, elle a tout simplement été écartée d'un revers de manche comme étant non vraisemblable (Une masse négative, mais vous n'y pensez pas, mon cher confrère ! pouvait-on entendre dans les années 30), mais cependant plus vraisemblable que les fantômes noirs imaginés pour boucher les trous !

Une récap ici
http://www.twinbang.net/
avec des références à celui qui a le plus développé cette théorie (sur des idées originales de Sakharov), Jean-Pierre Petit.
La réhabilitation de cette antimatière oubliée lui a d'ailleurs valu d'être blacklisté par les pontes de la cosmologie ...
https://www.jp-petit.org/Presse/Recherche_avril2001.htm
Il aura peut-être le prix Nobel à titre posthume ?



J'aime particulièrement :
sa cohérence et sa bonne réponse aux observations,
sa relative simplicité (un petit coup de rasoir d'Ockham), tout se tient.
plus besoin d'une débauche d'énergie pour déclencher le Big Bang (matière ordinaire + antimatière gémellaire = … rien, anihilation. Donc en sens inverse, pas besoin d'énergie divine, juste qu'Il claque dans les doigts)

On connaitrait alors 50% de l'Univers et non 5% … c'est un progrès indéniable !


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La frilosité à adopter l'extension bi-métrique de la relativité générale tient à plusieurs facteurs, je pense :

• Un facteur humain;
  
• Un manque de compréhension "humaine" de l'édifice mathématique des théories qui fonctionnent et sont admises.
  

Le facteur humain :

Le XXème siècle a connu une prolifération gigantesque de chercheurs en physique théorique. Le début de ce même siècle a aussi connu des querelles d'une rare violence qui se sont soldées par l'adoption d'interprétations assimilées à des principes quasi-divins que personne ne s'aventure plus à triturer, ou même simplement à rendre plus intelligibles. On assiste à une surenchère de concepts de plus en plus abstraits, correctement manipulées par les chercheurs les plus brillants ou les plus avertis, mais finalement imposés au plus grand nombre. Le monde de la recherche théorique fonctionne ainsi sur un mode ou l'argument d'autorité a pris le dessus.

Le manque d'intelligibilité :

Trop d'abstraction devient suspecte.

Deux exemples :
- La transformation de Lorentz des vitesses n'est pas humainement intelligible. On sait qu'elle est bonne, c'est à dire que, quelle que soit notre vitesse de déplacement, un photon nous parvient toujours à la même vitesse. Mais, tout le monde oublie que la compréhension de cette caractéristique pour le moins étonnante apporterait un éclairage gigantesque en modélisation physique des particules. On ne réfléchit plus, on applique.
- L'expérience de Stern & Gerlach met en évidence les spins up et down. Plus personne ne travaille à essayer de modéliser ce que pourrait être ces deux spins. Ils existent et c'est tout. Là encore, pas touche, c'est comme ça et on ne s'aventure pas à engager des recherches "gratuites" pour tenter de donner une explication intelligible à la chose. La compréhension physique et intelligible de ce qu'est le spin compléterait avantageusement la compréhension de ce qu'est la matière.

Je donne mon sentiment et suis sans doute trop catégorique dans mon appréciation, cependant, je pense que les physiciens gagneraient à se donner pour challenge d'apporter des réponses humainement intelligibles à ces caractéristiques physiques de la matière et de la lumière qu'on ne comprend pas intuitivement.

A partir de là, il deviendrait possible de prendre des "risques" en matière de choix d'hypothèses qui, quoi qu'on en disent, dictent les directions et les moyens de recherche.


Nota : Je suis surpris que de gros moyens ne soient pas mis à la disposition de chercheurs bien ancrés dans la réalité qui proposent, comme c'est le cas de Gérard Grumeaud, des modèles robustes, compréhensibles et à portée extrêmement large, c'est à dire TOUTE LA PHYSIQUE. Il a d'ailleurs proposé une théorie du tout qui a pour mérite de clarifier et définir les points d'accroches des grands axes de recherche de la physique théorique dans sa globalité.

Oui, mais bon.  Ca suppose comme prérequis que l'intelligence humaine soit capable de se représenter réellement le monde tel qu'il est. Ce qui est loin d'être démontré.

Je pense que cette intelligence, notre intelligence, est simplement le fruit de l'évolution, c'est à dire qu'elle s'est auto-adaptée aux divers problèmes que les humains ont rencontré lors de leur patiente évolution. 

Sauf erreur, et dans l'état actuel des choses, il ne me parait pas déterminant pour l'homme moyen de se faire une idée exacte de la transformation de Lorentz, ni de trouver une signification intuitivement parlante de ce qu'est le spin d'une particule (si particule il y a).

De la même manière, si on considère par exemple la distance de Dunkerke à Marseille, on n'en a qu'une connaissance mathématique, très rares sont les gens qui ont pu s'éloigner suffisamment dans l'espace pour voir cette distance de leurs yeux.  Mais à l'heure actuelle presque tout le monde accepte sans discuter les calculs des géographes (ou plutôt des géomètres) et prend la route en se fiant aux panneaux, ou même au GPS...

Ainsi il n'est pas très étonnant qu'au fil des ans les physiciens en arrivent à faire une confiance aveugle aux résultats de leurs calculs, et négligent les interprétations vulgaires (au sens premier).  

Le risque est évidemment très grand d'aligner des pages de calculs complètement en dehors de la réalité, et d'inventer divers artifices "pour faire aller" un peu comme on avait inventé l'Ether pour expliquer la propagation des ondes radio et lumineuses. 

En fait, mon opinion est que le monde est non seulement plus compliqué qu'on ne l'imagine, mais même plus compliqué qu'on ne peut l'imaginer. Albert Einstein a dit que l'imagination est plus puissante que la connaisance... il n'a jamais dit qu'elle était infinie.

Bonsoir Pierre !

Je m'attendais à une volet de bois vert très virulente après ma "sortie" !

Je suis d'accord avec toi à 100%. Cela étant, il y a parfois des idées ou trouvailles qui ne demandent pas l'esprit d'un super-man pour débloquer une vision des choses qui soit éclairante.

Et, mon intuition est que ces idées ou trouvailles manquent un peu, trop préoccupés que sont les chercheurs à aligner des articles pour exister ou à rivaliser entre eux.

Serge Haroche, que tu (et moi aussi) apprécies beaucoup, souligne cet aspect des choses en expliquant qu'il ne faut pas soumettre les chercheurs à une pression productiviste mais les sélectionner avant tout pour leur intelligence et leur imagination. Je suis d'autant plus sensible à cela que j'ai, avec mes crasses moyens personnels, beaucoup réfléchi aux deux thèmes dont j'ai parlé plus haut et qu'avec ma tête de métèque (hey Georges, t'a fini !) j'ai trouvé une explication logique à la constante de la lumière et que, de surcroit, ai également trouvé chez Gérard Grumeau la même explication logique. Que demande le peuple !

Crois-moi, j'ai bataillé sur le sujet à m'y épuiser... et je dois sans doute trouver un soulagement à une conclusion heureuse à cet effort qui finissait pas être douloureux. Mais, peut-être n'ai-je pas pris encore la distance nécessaire pour m'assurer de la validité de ce que je pense avoir compris, peut-être...

Crois-moi, c'est sans prétention aucune que je dis tout cela.