Matière noire: polémique entre astrophysiciens

Nous ne voyons pas de matière noire dans notre coin de Galaxie, clamait une équipe d’astrophysiciens. Vos travaux sont «incorrects» les tance une autre équipe, dans un article soumis à la critique des pairs sur le site arXiv.org qui vient leur répliquer de manière assez sévère.

Dessin: la vision classique de la matière noire dans notre galaxie.

L’affaire démarre en avril dernier, avec un article dont l’Observatoire européen austral fait la publicité auprès des journalistes, puisque les données d’observations ont été réalisées à l’aide d’un de ses télescopes, à La Silla, au Chili.

Le 24 avril, je publie sur le blog une note qui présente l’affaire ainsi:

Foi d’étoiles, il n’y a pas de matière noire jusqu’à 13.000 années lumière autour du Soleil.

Cette observation récente d’astrophysiciens européens vient bousculer les idées dominantes dans les laboratoires d’astrophysique. On y pense, en général, que l’Univers contient plus de 80% d’une matière inconnue, baptisée «noire» pour souligner son invisibilité et notre ignorance à son sujet. Depuis plusieurs décennies, on cherche en vain à la détecter, mais son existence semblait bien établie. Or, aucune trace de cette matière mystérieuse, d’après les mouvements des étoiles dans notre banlieue galactique.

C’est une patiente observation des mouvements de plus de 400 étoiles géantes rouges, situées à des altitudes très différentes au-dessus du plan de la Galaxie et dans la direction du pôle Sud galactique, qui est à l’origine de cette affirmation pour le moins troublante pour les astrophysiciens.

Réalisée à lObservatoire de La Silla de l’Observatoire Européen Austral (dans les Andes chiliennes), cette observation visait à cartographier la matière noire à travers son influence gravitationnelle sur les mouvements des étoiles. Or, explique le responsable de l’équipe, Christian Moni Bidin (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chili), «la quantité de masse que nous avons déduite correspond très bien à ce que nous voyons – les étoiles, la poussière et le gaz – dans la région autour du Soleil, mais cela ne laisse aucune place pour la matière supplémentaire – la matière noire – que nous pensions trouver. Nos calculs montrent qu’elle aurait dû clairement ressortir dans nos mesures. Mais elle n’est pas là !».

L’origine de l’idée d’une matière noire est déjà ancienne (Fred Zwicky en 1933) et provient de l’analyse des mouvement des galaxies dans les amas de galaxies. Puis, c’est la rotation des galaxies sur elles-mêmes qui a semblé imposer cette idée dans les années 1970. Elles vont trop vite – surtout les étoiles des bords – relativement à la masse visible.

Dans les années 1980, c’est l’analyse des effets de loupes gravitationnelles des amas de galaxies (graphique ci-contre) qui a fait supposer qu’ils hébergent dix fois plus de masse invisible que de masse visible. Les scénarios post Big-Bang, notamment, la densité de l’Univers et les «grumeaux» de la carte du rayonnement cosmologique (le fond diffus des photons émis lors du découplage entre matière et lumière lorsque la température de l’Univers a été assez refroidie, environ 300.000 ans après le Big-bang), ont aussi exigé cette masse supplémentaire.

Enfin, cette matière noire s’est imposée comme une composante indispensable dans les théories qui expliquent la formation des galaxies, car elles exigent plus de masse que celle qui est visible.

De quoi serait-elle constituée ? Dans les années 1990, les astrophysiciens, aidés des physiciens des particules comme Michel Spiro, ont cherché des milliards de milliards de Jupiter ou de «presque étoiles» (les Machos, massives compacts objects) qui auraient peuplé les halos des galaxies. En vain. Même échec pour la recherche de particules exotiques, des partenaires supersymétriques des particules connues… dans les accélérateurs de particules, dans les détecteurs de rayons cosmiques. L’instrument AMS (lire ici une note qui raconte toute l’histoire de cette recherche) acheminé à bord de la station spatiale internationale par la navette Discovery lors de son dernier vol en avril 2011 fait partie de cette recherche. Pour l’instant, les astrophysiciens sont bredouilles.

L’ article de Moni-Bidin et al. publié dans The Astrophysical Journal, va t-il remettre en selle les débats autour d’une modification de la loi de la gravitation comme alternative à l’idée de la matière noire ? Ou relancer les hypothèse sur sa distribution et sa nature ?

Voilà comment j’avais présenté la chose. Puis, deux jours après, j’ajoutais un complément à cette note, sur la base de discussions avec des astrophysiciens d’emblée très sceptiques sur les méthodes utilisées. Voici cet ajout:

Ajout le 26 avril: consultés par mes soins, certains spécialistes du sujet émettent les plus vives réserves sur cette étude. Michel Crezé – l’un des auteurs des articles cités en référence dans l’étude – est connu pour avoir montré avec les données du satellite d’astrométrie Hipparcos, de l’Agence spatiale européenne, que le centre de la Galaxie ne contenait pas autant de matière noire que ce que proposent les modèles standards cosmologiques fondés sur la matière noire. Il pourrait donc se trouver conforté par ce résultat. Or, il me confie par courriel: «Plusieurs effets concourent à faire que l’évaluation donnée par les auteurs de la précision de leur résultat est totalement irréaliste. La seule conclusion raisonnable à tirer de ce travail est qu’il conforte la conclusion de plusieurs de ses prédécesseurs : il n’y a pas de concentration de matière sombre dans le plan de notre galaxie mesurable avec les moyens actuels. Mais cela reste largement compatible avec la plupart des modèles cosmologiques incluant de la matière sombre. C’est évidemment moins enthousiasmant.

La raison pour laquelle nous pouvons être aussi affirmatifs est la suivante. Pour afficher les «barres d’erreurs» qu’ils annoncent, il faudrait que les auteurs aient identifié exhaustivement la petite colonie d’étoiles qui fait l’objet de leurs soins, et mesuré avec une précision extrême la répartition dans l’espace (donc les distances) et les trois composantes de la vitesse des membres de cette colonie. Ce programme qui donnerait (donnera) la réponse attendue sur la matière obscure locale à la précision qu’ils indiquent existe : c’est la mission GAÏA de l’agence spatiale Européenne.

Or il n’ont pas fait cela. D’une part leur échantillon comporte de nombreuses étoiles qui ne sont pas des membres de la colonie en question (ce n’est pas un jugement, eux-mêmes le disent) d’autre part ils ne mesurent pas les distances et pour les vitesses ils ne mesurent que la composante radiale. Tout le reste est tiré d’autres travaux et repose sur une grande part de modélisation dont il est extrêmement difficile d’évaluer l’impact.

Les auteurs se livrent bien à quelques analyses des effets possibles d’une défaillance de telle ou telle de leurs hypothèses, mais ils sont loin de faire le tour de toutes les causes d’erreur et de plus ils les examinent séparément.»

Cette critique assez vive aura t-elle une suite dans un commentaire envoyé à la revue scientifique où l’étude est parue ? Cela dépend de la manière avec laquelle les spécialistes vont débattre entre eux. Ils pourraient considérer qu’il vaut mieux attendre les observations plus précises de GAÏA.  Ce satellite de l’ESA doit en effet mesurer la position et les mouvements de plus d’un milliard d’étoiles dans notre Galaxie. Ce qui permettra de tester de façon beaucoup plus approfondie l’hypothèse de la matière noire, et si elle existe bien, de mesurer sa distribution spatiale.

Or, il semble que cette critique faite au pied levé soit confirmée par l’étude soumise par deux astrophysiciens, Jo Bovy et Scott Tremaine, du prestigieux Institute of Advanced Studies de Princeton, le havre pour happy few de la science où Einstein a fini sa carrière après avoir quitté l’Allemagne nazie. Bon, les deux auteurs ne sont pas Einstein. Jo Bovy est un jeune astrophysicien (thèse en mai 2011), mais qui a suffisamment impressionné pour se voir invité en tant que «Hubble fellow» à travailler à l’IAS après sa thèse. C’est plutôt Scott Tremaine le cador des deux, un astrophysicien expérimenté et couvert de médailles. En tous cas, ils ont passé à la moulinette les travaux de l’équipe de l’ESO et ont repris leurs calculs dont le traitement leur semble «incorrect». Eux, trouvent un résultat inverse : avec les mêmes données d’observation, ils estiment qu’il s’agit de «la mesure la plus robuste de la densité de matière noire locale à ce jour.»

Extrait de leur résumé : «Using the correct approximation that the circular velocity curve is flat in the mid-plane, we find that the data imply a local dark-matter density of 0.008 ± 0.002M⊙ pc−3 = 0.3 ± 0.1Gev cm−3, fully consistent with standard estimates of this quantity. This is the most robust direct measurement of the local dark-matter density to date.»

sciences.blogs.liberation.fr

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