Découvrir l'Univers : Détection - Matière sombre baryonique



Depuis les années 1990, les astronomes tentent d'observer directement la masse cachée baryonique et d'estimer la contribution des différents candidats.

Les naines rouges

Jusqu'à récemment, du fait de la turbulence atmosphérique, les télescopes terrestres étaient incapables de confirmer l'importance des naines rouges. Leurs images étaient peu lumineuses et floues et ressemblaient à des galaxies, ce qui ne facilitait pas les choses. Avec l'avènement du télescope spatial Hubble, il devint possible d'observer des naines rouges 100 fois plus faibles qu'auparavant et de les différentier des galaxies. Des observations furent alors menées dans des zones du ciel choisies de manière aléatoire et montrèrent que les naines rouges n'étaient pas aussi abondantes qu'on l'imaginait auparavant. Leur masse totale ne représentait qu'environ 10 pour cent de celle de la Galaxie.

D'autres observations concentrées sur un amas globulaire montrèrent que le nombre de naines rouges de masse supérieure à un cinquième de celle du Soleil était très grand, avec à peu près une centaine de naines rouges pour une étoile de type solaire. Mais ces observations montrèrent également qu'il n'y avait pas de naine rouge de masse inférieure. La masse limite de formation des étoiles n'est donc probablement pas de 8 pour cent de celle du Soleil comme le prévoyaient les modèles théoriques, mais plutôt d'environ 20 pour cent. En tout cas, il ressortait de ces observations que les naines rouges ne formaient qu'une très faible fraction de la masse cachée dans les halos de galaxies, de l'ordre de 6 pour cent.

Les naines brunes

Les naines brunes n'émettent guère de lumière et sont donc pratiquement impossibles à détecter, même dans le voisinage du Soleil. Néanmoins, juste après leur formation, ces étoiles sont soumises à une phase de contraction qui durent quelques centaines de milliers d'années. Pendant cette période, elles libèrent une grande quantité d'énergie gravitationnelle et peuvent donc émettre un rayonnement.

Gliese 229B
La première naine brune découverte en 1994 à l'observatoire du mont Palomar (le petit point lumineux un peu à droite du centre de chaque image). La naine brune, baptisée Gliese 229B, est en orbite autour d'une naine rouge (à gauche) et se trouve à environ 19 années-lumière de la Terre. L'image de gauche provient de l'observatoire du mont Palomar, celle de droite fut prise en 1995 par le télescope spatial. Crédit : S. Kulkarni/Caltech/D. Golimowski/JHU/STScI/NASA

Il va sans dire que les effets de la turbulence atmosphérique empêchent toute observation avec un télescope terrestre classique. C'est ainsi un système d'optique adaptative qui détecta la première naine brune en 1994, une découverte rapidement confirmée par le télescope spatial. Cette naine brune, baptisée Gliese 229B, forme avec une naine rouge un système binaire situé à 19 années-lumière. La masse de la naine brune est entre 20 et 50 fois plus grande que celle de Jupiter et sa luminosité est 100 000 fois plus faible que celle du Soleil. Son atmosphère est quant à elle semblable à celle de Jupiter, avec en particulier une grande abondance de méthane. Cette découverte était très importante car elle montrait que les naines brunes existent réellement. Depuis lors, d'autres naines brunes ont été identifiées mais il est encore trop tôt pour avoir une idée précise de leur nombre total, donc de leur contribution à la masse cachée.

Utiliser les lentilles gravitationnelles

Plutôt que d'étudier directement un type donné de candidat, il est également intéressant d'affiner notre connaissance de la masse cachée par d'éventuels effets indirects. Les années 1990 ont ainsi vu le développement d'une technique destinée à détecter indirectement la matière sombre présente dans le halo de notre Galaxie, ceci quelle que soit sa nature.

Cette méthode repose sur le phénomène de lentille gravitationnelle. Celui-ci se produit lorsque deux étoiles sont alignées sur la même ligne de visée. Comme la relativité générale le montre, l'étoile la plus proche peut alors dévier et concentrer les rayons lumineux de la plus lointaine. Le résultat pour un observateur terrestre est une soudaine et forte augmentation de la luminosité apparente de l'étoile lointaine.

Ce phénomène peut être utilisé pour détecter des objets sombres dans le halo de notre Galaxie. En effet, ces objets ne sont pas fixes mais se déplacent lentement. Si, par pur hasard, l'un d'entre eux passe exactement entre nous et une étoile plus éloignée, l'intensité apparente de cette dernière augmentera fortement pendant la durée du passage. Ainsi, par exemple, si la lumière d'une étoile située dans l'un des Nuages de Magellan voit son éclat apparent augmenter pendant un intervalle de temps, il est possible que cela soit dû au passage d'un objet sombre sur la ligne de visée.

Évidemment, une telle variation de luminosité peut aussi être causée par un phénomène cataclysmique du type nova. Il est cependant possible de différentier les deux cas de figure en observant l'amplification dans deux longueurs d'onde différentes. En effet, les variations de luminosité dues à une lentille gravitationnelle sont indépendantes de la longueur d'onde considérée, alors que les variations dues à un changement au niveau de l'étoile en dépendent.

L'observation d'un effet de lentille gravitationnelle ne fait pas que prouver l'existence d'objets sombres dans le halo. La durée et l'amplitude du phénomène peuvent nous apporter de nombreuses données comme la vitesse, la distance et la masse de l'objet. La principale difficulté réside dans le fait que la probabilité du phénomène est extrêmement faible, de l'ordre d'un événement pour un million d'étoiles observées. Pour avoir une chance raisonnable d'en détecter un, il faut donc observer simultanément un très grand nombre d'étoiles situées hors du halo. Ceci est heureusement possible dans la direction des Nuages de Magellan, très riche en étoiles. Il est également intéressant d'observer la région du bulbe galactique, ce qui permet de détecter des objets sombres dans le disque galactique plutôt que dans le halo.

Les résultats

Les années 1990 virent la mise en route de plusieurs programmes de détection de lentilles gravitationnelles dans la Galaxie. On peut citer en particulier les programmes EROS, qui se concentra sur les étoiles du Grand Nuage de Magellan, OGLE, qui scruta celles du bulbe galactique, et MACHO qui observa les deux régions simultanément. Ces trois programmes détectèrent des centaines d'événements dans la direction du bulbe et une vingtaine dans la direction des Nuages de Magellan.

Les résultats semblent pour l'instant indiquer que les objets peu massifs de moins de 10 pour cent de la masse solaire, naines brunes ou planètes par exemple, ont une contribution relativement faible, entre 10 et 20 pour cent de la masse du halo galactique. Les corps de l'ordre de la moitié de la masse du Soleil, par exemple les naines blanches, pourrait quant à eux compter pour environ 20 à 30 pour cent de la masse cachée dans le halo.



Auteur : Olivier Esslinger

Source : www.astronomes.com/index.html