Galaxies satellites de la Voie lactée

Peu de gens savent que la Voie lactée a des galaxies qui lui tournent autour. Certains connaissent les deux nuages de Magellan, le grand et le petit. Encore moins nombreux sont ceux qui connaissent la galaxie du Sagittaire. Alors je ne chercherai pas ceux qui savent qu’à ce jour, on a recensé une nuée de 55 galaxies se pavanant autour de notre jolie Galaxie afin d’avoir l’honneur un jour… de se faire bouffer par elle.

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Ne soyez pas triste, la Voie lactée est devenue aussi vaste et belle grâce à ce mécanisme d’accrétion. Il en fut toujours ainsi et un jour on fera de même avec elle. Quoique ce sera une union plutôt qu’un repas puisque nous fusionnerons avec notre voisine, la galaxie d’Andromède, la seule galaxie primaire autre que notre Voie lactée à être visible à l’œil nu malgré les 2,55 millions d’années-lumière qui nous en sépare.

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Pour certaines des galaxies satellites, elles constituent probablement les restes d’un festin passé alors qu’autrefois, on les croyait primordiales, c’est-à-dire les premiers regroupements d’étoiles de notre Univers. On peut croire en la possibilité des deux types, des mariées et de vieilles louves solitaires capturées puis maintenues prisonnières par la force gravitationnelle de notre grande Galaxie.

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Verra-t-on un trou noir en 2018 ? (1)

Est-ce que nous pourrons voir un trou noir très bientôt ?

Évidemment, la question aurait de quoi faire rire. Puisque le fond du cosmos est noir, regarder un trou noir sur un fond noir, c’est comme observer un corbeau dans un placard. Pourtant, il est possible de voir ce à quoi un trou noir ressemble en regardant ses effets sur son environnement.

Afin de répondre à la question initiale, j’aurai besoin d’expliquer succinctement différents concepts que je distribuerai dans des articles distincts.

Le premier article sera donc consacré à rappeler comment se forme un trou noir afin de comprendre sa nature.

Une étoile est un délicat équilibre entre deux forces antagonistes. Tout d’abord, une étoile, c’est une bombe nucléaire. La pression engendrée par la fusion nucléaire tend donc à disperser les constituants de l’étoile comme le fait n’importe quelle bombe nucléaire. Toutefois, puisqu’une étoile est aussi un agrégat important de matière, la gravitation retient la matière éjectable en la concentrant au centre de l’astre, ce qui maintient l’étoile en une sphère plutôt stable.

Une étoile est donc une sorte de balance à ressort qui retient le poids déposé sur son plateau en le repoussant jusqu’à un équilibre entre les deux.

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Formation d’une étoile à neutrons

Cependant, le carburant nucléaire venant en fin de compte à manquer — et cela arrive d’autant plus rapidement que l’étoile est obèse — la pression des explosions nucléaires ne suffit plus à contrebalancer la force gravitationnelle qui comprime l’étoile. De ce combat singulier perdu d’avance, l’étoile finira par imploser sous son propre poids. Si elle possède suffisamment de matière, l’implosion réussira à vaincre les autres forces répulsives possibles dans la matière. Les électrons deviendront incapables de se repousser mutuellement (principe d’exclusion de Pauli) et finiront par s’écraser sur les noyaux des atomes. Ce faisant, les électrons fusionneront avec les protons du noyau pour former des neutrons. On obtient ainsi une étoile d’une densité extrême dont son cœur est entièrement composé de neutrons. Tous ces neutrons sont comprimés dans une sphère de 20 à 40 km de diamètre pour l’équivalent en poids d’une étoile de 1,4 à 3,2 fois la masse de notre Soleil. C’est dire comment la densité de la matière est importante ! Mais une étoile à neutrons n’est pas encore un trou noir.

Trop de matière pour résister

Si l’étoile à neutrons possède une masse supérieure à 3,2 fois celle de notre Soleil, ces particules neutres formant une espèce de noyau atomique géant seront elles aussi incapables de résister à la force gravitationnelle. Les quarks composant les neutrons atteindront leur limite de résistance et flancheront à leur tour.

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Formation d’un trou noir stellaire

À cette étape, il n’existe plus aucun autre mécanisme pouvant résister à la force gravitationnelle. La matière atteint alors sa limite d’existence et s’écrase en se concentrant un point infiniment petit. Le résultat est une singularité des équations de la relativité générale d’Einstein. Un point infiniment petit concentrant une masse de densité infiniment grande. Un trou noir est né.

Ouais, la physique n’aime pas trop les infinis et ces deux infinis du trou noir signifient qu’on a un « trou » dans notre théorie. Un trou noir de connaissances liées aux trous noirs qu’on ne parvient pas à éclaircir. Ironique, n’est-ce pas ? Cette formation des trous noirs se rapporte aux trous noirs d’origine stellaire, c’est-à-dire qu’une étoile est à l’origine du trou noir. Il atteint des masses maximales aux alentours de 14 fois celle de notre Soleil.

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Trou noir galactique (supermassif)

Il existe aussi des trous noirs galactiques. Ce sont des trous noirs tapis au cœur de la plupart des galaxies. Leur origine est controversée, mais il est certain qu’ils ont cru en avalant de la matière environnante et par coalescence avec d’autres trous noirs. Le record est détenu par le trou noir supermassif de la galaxie NGC 4889 qui aurait un petit 21 milliards de fois la masse de notre soleil !

La Voie lactée, notre Galaxie, cache également un trou noir supermassif en son sein. Il deviendra important pour la suite de cet article. Toutefois, sa dimension reste modeste. Il a la taille plutôt fine à comparer à bien d’autres trous noirs en ne pesant que 4 millions de fois la masse de notre Soleil !

Dans le prochain article, j’expliquerai simplement ce qu’on appelle l’horizon des événements d’un trou noir. Cette notion est essentielle pour comprendre comment on peut observer un trou noir.

Je vous donne rendez-vous demain pour la suite de ce passionnant feuilleton et vous encourage entretemps à poser vos questions sous forme de commentaire.

À bientôt.

Photon noir

Le CERN reprend ses activités, mais pas avec le LHC, avec le SPS. Bon, d’accord, je vais continuer en français. Le Centre européen pour la recherche nucléaire recommence ses expériences en utilisant le Super Synchrotron à Protons, un accélérateur circulaire plus petit que le fameux Large Hadron Collider utilisé dans la traque du boson de Higgs.

Cette fois-ci, les scientifiques du CERN cherchent des traces du photon noir, une particule hypothétique qui serait responsable d’interactions entre la matière ordinaire et la matière noire. Cette expérience est nommée par le sigle NA64.

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D’après la théorie actuelle, l’Univers serait composé de 15 % de matière telle qu’on la connait et de 85 % de matière dite noire puisqu’elle est invisible, n’interagissant pas avec les photons. Cette fameuse matière noire permet de consolider les galaxies qui, sinon, se disloqueraient tellement leur vitesse de rotation est grande. Mais grâce à ce surplus de masse, elles forment leurs belles spirales sans que leurs étoiles s’éparpillent.

Seules des observations gravitationnelles de ce genre, ainsi que les effets de lentilles gravitationnelles nous laissent croire que la matière noire existe réellement. Toutefois, elle n’est jamais apparue dans les expériences au CERN ou ailleurs. On pense être en mesure de confirmer son existence en s’attaquant à son transmetteur de force qui serait un type de photon différent des grains de lumière que l’on connait, qui n’émet aucune lumière (onde électromagnétique) et qui par conséquent est invisible, de là son qualificatif «noir».

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Tout ceci n’est qu’hypothétique, mais si on ne parvient pas à découvrir ce photon noir et d’y associer une cinquième force, la théorie de l’existence de la matière noire va prendre du plomb dans l’aile. S’ensuivrait une remise en question de la théorie de la gravitation énoncée par Einstein en 1915, sa fameuse relativité générale.

Puisque cette théorie n’a jamais été prise en défaut, dans aucune expérience, soit elle est juste et la matière noire existe réellement, soit la matière noire n’existe pas et la relativité générale est fausse malgré nos résultats expérimentaux actuels qui atteignent des niveaux de précision extrêmes.

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Le questionnement est majeur puisqu’il touche à 85 % du contenu de l’Univers en fait de matière ou à l’avènement d’une théorie de la gravitation interagissant différemment aux petites et aux distances moyennes et grandes, c’est-à-dire de la dimension des galaxies et plus encore.

On a toutes les preuves que nos théories coincent quelque part, pourtant l’Univers a très bien su dissimuler la façon dont il fonctionne. Présumer l’existence du photon noir et de sa matière noire est une tentative théorique qui nous permettrait de nous dépêtrer de ce bourbier dans lequel la physique des particules et de la gravitation est enfoncée depuis plus de 85 ans.

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Oui, déjà en 1933, un astronome du nom de Fritz Zwicky avait présumé de l’existence d’une matière invisible en mesurant la vitesse de rotation des galaxies. Ce dernier s’est mis la communauté des astronomes à dos lorsqu’il les a tous traités de «bâtards, peu importe dans quel sens on les regarde», mais il avait raison puisqu’ils s’étaient alors totalement désintéressés de ses résultats d’observation qui jetaient un très lourd pavé dans leur mare à canards.

Mais eux qui voyaient Zwicky comme leur vilain petit canard ont dû admettre, bien plus tard, malheureusement, qu’il avait parfaitement raison. Un scientifique de plus à rejoindre le plateau de la balance des génies désavoués qui ont osé dire différemment de la majorité, voire de la totalité des gens de leur profession.