Département de Physique des Particules

Les preuves de l’existence d’une composante non visible dans les galaxies se sont accumulées au cours des années 1970-1980. En effet, on a une idée de la quantité de matière visible présente dans une galaxie par simple comptage des étoiles. Par ailleurs, on connaît facilement la masse totale des galaxies en mesurant la vitesse de rotation de leurs étoiles selon leur distance au centre galactique[1]. Et la masse visible trouvée était systématiquement inférieure à la masse totale, d’un facteur compris entre 5 et 10. Une composante invisible, bien vite surnommée « matière noire », participe donc à la masse des galaxies.

[1] De la même façon que l’on peut calculer la masse du Soleil (ou d’une autre étoile) en mesurant précisément l’orbite des planètes qui tournent autour.

Trois programmes de recherche furent mis en route au début des années 1990, l’américano-australien Macho, le polonais Ogle et le français Eros. Ils cherchaient à découvrir dans quelle mesure cette matière noire se compose d’astres sombres, comme les naines brunes par exemple. Pour cela, ils utilisèrent la technique des microlentilles gravitationnelles (voir figure 1) qui révèle le passage d’astres sombres de la Voie lactée devant des étoiles des nuages de Magellan situés dans la banlieue de notre galaxie.

Seul problème, ce phénomène est extrêmement rare : même si toute la Galaxie se trouvait être sous forme d’astres sombres de masse comparable à celle du Soleil, l’observation de 2 millions d’étoiles permettrait au mieux de détecter un seul phénomène de microlentille par année.  Il faut donc prendre son temps et observer des dizaines de millions d’étoiles.

Reste à interpréter correctement les résultats des observations des Nuages de Magellan. Une absence de microlentille signifie-t-elle qu’il n’y avait pas d’astres sombres à trouver, ou bien que les programmes n’avaient pas utilisé les bonnes méthodes ? Et quand bien même ils trouveraient quelque chose, pourquoi ne serait-ce pas un nouveau type d’étoile variable inconnue jusqu’alors ? C’est pourquoi on choisit de chercher également le phénomène de microlentille là où il doit être observé à coup sûr : dans le centre de notre Galaxie, où se trouve le plus grand nombre d’étoiles (figure 2).

Les premiers résultats furent à la fois encourageants et déroutants : des microlentilles étaient bien observées mais en nombre deux à trois fois trop important par rapport à ce que les calculs laissaient prévoir. Le compte n’y était pas … et les chercheurs voulurent s’assurer qu’il observaient des microlentilles et non d’autres phénomènes. Les trois expériences choisirent de limiter leurs observations à une classe spécifique d’étoiles :  les géantes rouges situées dans le bulbe galactique. Leur localisation fait que leur distance est bien connue, ce qui facilite l’interprétation des phénomènes observés. Leur luminosité les rend plus facilement identifiables, on est donc certain que c’est bien leur lumière qui est amplifiée par la microlentille, et non celle de l’étoile d’à côté. Le prix à payer pour cette amélioration qualitative est la réduction du nombre d’étoiles surveillées : il faudra observer plus longtemps pour trouver des microlentilles.

Entre 1992 et 2002, Ogle, Macho et Eros ont détecté 215 phénomènes de microlentilles « irréprochables » affectant des étoiles géantes rouges (voir un exemple en figure 3), et leurs mesures s’accordent comme jamais auparavant. Qui plus est, ces observations confirment les modèles de notre Galaxie qui décrivent statistiquement les positions, les vitesses et les masses des étoiles.

Si Ogle a détecté 33 microlentilles et Macho 62, c’est Eros qui en a vu le plus grand nombre avec 120 détections. Cette jolie moisson permet à Eros de démontrer que la probabilité de voir une lentille gravitationnelle sur une étoile donnée décroit proportionnellement à la population d’étoiles lorsque l’on s’éloigne du plan galactique (figure 4).  Et seul parmi les trois groupes, Eros a observé en nombres comparables des étoiles situées au nord et au sud du plan galactique : une bonne symétrie nord-sud est observée, comme on pouvait s’y attendre. De telles informations sont essentielles pour les théoriciens, elles permettent de mieux comprendre la répartition des étoiles peu lumineuses de notre galaxie.