La masse manquante dans l'Univers

CNRS et Laboratoire d'Astronomie, USTL, 34060 Montpellier, France

Résumé

Les premières évidences de masse manquante ou de matière noire aux échelles galactiques et extragalactiques remontent aux années 30. D'une part, Oort remarqua qu'au voisinage solaire les vitesses des étoiles étaient supérieures à celles déduites de la détermination de la masse des étoiles visibles. D'autre part, l'observation sur le plan du ciel de nombreuses condensations de galaxies comme l'amas Coma laisse supposer qu'il s'agit de systèmes physiquement liés et ne résultant pas de simples fluctuations statistiques d'une distribution aléatoire. Cependant Zwicky arriva à la conclusion que dans une telle hypothèse la dispersion de vitesse des galaxies dans l'amas Coma nécessitait 100 fois plus de masse que celle contenue dans les galaxies. Depuis cette période, le raffinement des observations, des analyses et une réévaluation des distances (à cette époque, la constante de Hubble était prise égale à 500) on réduit ce facteur, mais le problème subsiste encore. Il est particulièrement frappant dans le cas des galaxies spirales où l'observation systématique des courbes de rotation conduit à supposer la présence dans ces objets d'un halo massif sphérique. Ces évidences dynamiques constituent le "1er problème" de la masse manquante. Un "deuxième problème" est apparu avec l'essor des Théories Grandes Unifiées en Physique des Particules pour lesquelles le laboratoire naturel est l'Univers primordial. Une conséquence de ces théories est de prédire que l'Univers serait dominé par des particules "exotiques" non baryoniques dont la quantité serait suffisante pour fermer l'Univers. Ces particules quasiment indétectables se manifesteraient uniquement par leur influence gravitationnelle à diverses échelles (galaxies, amas...). Nous nous efforcerons ici de jeter toute la lumière possible sur cette matière noire en explorant les différents sites astrophysiques où elle est susceptible d'être mise en évidence et en s'interrogeant sur sa quantité et sa nature.

Abstract

The first evidence for missing mass or dark matter comes from the 30's. On one hand, Oort noted that in the solar neigbourhood the mass of the stars (inferred from count numbers) cannot account for their observed velocities. On the other hand, observation on the sky of various galaxy condensations like the Coma cluster let suppose that they are actual bound systems and not only statistical fluctuations. However, with such an assumption, Zwicky concluded that the velocity dispersion of galaxies in Coma required 100 times more mass than contained in galaxies. Since this period, refined observations, analyses and a reevaluation of the cosmic distance scale reduced this factor but the problem is still present. It is particularly striking for spiral galaxies where systematic observations of rotation curves lead to infer the presence of spherical massive halos. These dynamical evidences form the "first missing mass problem". The "second one" appears with the development of Great Unified Theories for which the natural laboratory is the very early Universe. A consequence of these theories is that our Universe could be closed by "exotic" particles which interact only gravitationally. We shall try here to shed some light on this dark matter asking for its content and nature.