GRAVITATION

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Échec des théories de la gravitation ? La masse cachée (ou matière noire) de l’Univers

Une énigme persistante ternit le succès des théories (de Newton et d’Einstein) de la gravitation. Dès 1933, l’astronome suisse Fritz Zwicky (1898-1974) étudie les vitesses de sept galaxies dans l’amas de la Chevelure de Bérénice, et en déduit leurs masses qu’il compare à une estimation déduite de la luminosité des étoiles de ces galaxies, en s’aidant d’hypothèses « raisonnables » sur les populations d’étoiles. Il découvre ainsi que la « masse dynamique » est de beaucoup supérieure à la « masse lumineuse », mais cette observation reste pratiquement sans suite bien qu’une comparaison semblable apparaisse en 1936 pour l’amas de la Vierge. Dans les années 1960 et 1970, les mesures par des radiotélescopes et des télescopes optiques de la « courbe de rotation » de plusieurs galaxies (c’est-à-dire la distribution des vitesses des étoiles en fonction de leurs distances au centre de la galaxie) démontrent que les étoiles de leur périphérie tournent beaucoup plus vite que ne le prévoient les lois de Newton, à moins de supposer qu’un halo invisible de masse cachée entoure les galaxies. De nombreuses observations de divers groupes d’étoiles, de galaxies et d’amas de galaxies confirmeront ce fait dénommé aujourd’hui « l’énigme de la masse cachée, ou de la matière noire (dark matter en anglais) ».

La masse cachée de l’Univers

Dessin : La masse cachée de l’Univers

La courbe de rotation d'une galaxie représente la vitesse de rotation (en km/s) des étoiles en fonction de leur éloignement au centre de la galaxie (en kiloparsec, kpc). Pour rendre compte des mesures (les points avec leurs barres d'incertitude) dans le cadre de la théorie habituelle de la... 

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Si cette matière noire existe, elle représente 90 p. 100 de la masse de certaines galaxies. Certes, on sait que certains astres – naines brunes, étoiles à neutrons, trous noirs – ne rayonnent pas et sont donc « invisibles » aux astronomes. On sait aussi qu’un fonds de neutrinos baigne l’Univers. Mais les estimations des contributions de ces diverses composantes « noires » ne permettent pas d’atteindre la masse totale requise pour expliquer les courbes de rotation mesurées. Les physiciens des particules ont quant à eux longtemps privilégié l’hypothèse que des particules élémentaires massives, dont les caractéristiques nous sont inconnues – appelées « supersymétriques » – constituent la matière noire. Mais cette hypothèse semble maintenant peu crédible car de telles particules auraient dû signer leur existence dans les réactions observées dans les grands accélérateurs comme le Large Hadron Collider (LHC) de Genève.

Faut-il alors abandonner les lois de Newton ? Ou peut-on modifier la théorie de la dynamique newtonienne ? C’est ce que proposent certains physiciens en modifiant la seconde loi de Newton lorsque les accélérations des corps considérés sont très faibles. Ils parviennent alors à décrire les courbes de rotation des galaxies sans introduire aucun élément de matière noire. Aucun consensus scientifique ne se manifeste pourtant en faveur de ce type de nouvelle théorie de la gravitation, qui nécessiterait encore d’être accompagnée d’une extension relativiste capable de passer les tests qui ont établi la pertinence de la relativité générale. Les déviations par rapport à la physique newtonienne restent donc encore incomplètement expliquées.

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Le système de Tycho Brahe
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  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « GRAVITATION », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 18 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/gravitation/