Quels phénomènes physiques démontrèrent l'existence de la matière noire ?

« Grand Oral de physique-chimie 2024 : La Matière Noire Intro : Au cours des dernières décennies, les observations scientifiques ont détecté la présence dans le cosmos d’une nouvelle catégorie de matière, différente de la matière ordinaire qui nous entoure.

Appelée « Noire » car très difficile à détecter, elle est pourtant beaucoup plus abondante que son homologue ordinaire.

Avec la non moins mystérieuse Energie Noire, elle représente 95% du contenu total de notre univers et sa densité est telle, qu’elle conditionne l’avenirs de l’univers tout entier.

Ainsi, nous répondrons à la question suivante : quels phénomènes physiques ont permis d’établir l’existence de la matière noire ? Nous répartirons notre présentation en deux parties : comment les scientifiques ont été amenés à penser que la matière noire existait ? Quelles sont les preuves expérimentales de son existence ? Partie 1 : En 1666, le physicien anglais Isaac Newton établit la loi de la gravitation universelle, qui dit que deux corps s’attirent avec une force proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare : .

Il établit aussi la deuxième loi de la mécanique ou deuxième loi de Newton, qui fait le lien entre les actions qui s’exercent sur un objet, modélisées par la somme des vecteurs force, et son mouvement par l’intermédiaire du vecteur accélération : .

Intéressons-nous maintenant aux satellites ayant un mouvement circulaire autour de leur astre attracteur.

Les vecteurs vitesse et accélération de l’astre peuvent être définis suivant la base de Frenet. *Base de Frenet* Dans ce cas, comme le montre le schéma, la direction de l’astre change en permanence : il subit donc une accélération, dite accélération centripète, donnée par l’expression : .

On applique la deuxième loi de Newton dans le référentiel supposé galiléen de l’astre attracteur : *Démonstration* On obtient finalement l’expression de la vitesse à laquelle se déplace les astres sur leur orbite, en fonction de la masse de l’astre attracteur et de la distance qui les sépare.

Ainsi, si l’on est capable de mesurer expérimentalement la vitesse avec laquelle un astre se déplace sur son orbite, on peut en déduire la masse de l’astre attracteur.

Cette technique s’applique bien sûr aux corps du système solaire, mais en théorie également à des structures beaucoup plus importantes, telles que des galaxies. Ces travaux furent réalisés dans les années 70 par Kent Ford et Vera Rubin. Cependant, il est impossible de mesurer la vitesse des étoiles dans les galaxies lointaines en suivant leur mouvement à l’aide d’un télescope, comme cela fut le cas pour la Lune et les planètes du système solaire.

En effet, bien que les étoiles se déplacent à grande vitesse, la dimension de leur orbite étant considérable, on peut avoir l’impression qu’elles sont immobiles.

Pour surmonter ces obstacles, Rubin et Ford utilisèrent l’effet Doppler.

L’effet Doppler correspond au décalage perçu entre la fréquence d’une onde émise et la fréquence de l’onde reçue par un récepteur, lorsque l’émetteur et le récepteur sont en mouvement par rapport à l’autre.

Or la lumière est elle aussi une onde : une onde électromagnétique.

Pour la lumière visible, la fréquence la plus basse est celle de la lumière rouge, la plus haute, celle de la lumière violette.

Ainsi et par effet Doppler, si un objet qui émet de la lumière, à une certaine fréquence, se rapproche de nous, la fréquence lumineuse que nous mesurerons augmentera : la lumière se sera « décalée vers le bleu », tandis que s’il s’éloigne, la fréquence diminuera : elle se sera « décalée vers le rouge ».

Cette étude a permis de déterminer la vitesse de déplacement d’étoiles émettrices, situées dans des galaxies lointaines, par rapport à nous. Rubin et Ford appliquèrent cette technique pour calculer la masse totale de nombreuses galaxies et sa répartition. Ils trouvèrent alors que la majeure partie de la masse des galaxies était située en son centre.

Or, on sait que d’après les formules de Newton, la vitesse d’un astre en orbite autour de son astre attracteur est inversement proportionnelle à la distance qui les sépare.

Donc, plus une étoile orbitant autour du centre galactique en est éloignée, plus sa vitesse devrait être faible.

Mais ce c’est pas du tout ce que Rubin et Ford mesurèrent… *v[étoile]=f(d)* L’explication la plus simple mais également la plus surprenante, est qu’il existe, en plus de la matière visible, une autre matière invisible qui viendrait modifier la configuration gravitationnelle des galaxies et justifierait ce décalage entre la théorie et les observations.

Mais cette découverte révolutionnaire fut mise à l’épreuve et contestée au sein de la communauté scientifique :.... »