La matière noire

Tout ce que nous voyons dans le ciel, étoiles, gaz, poussières, galaxies, ne suffit pas à expliquer les mouvements observés dans l’Univers. Les galaxies tournent trop vite, les amas de galaxies sont trop liés, la lumière est trop déviée. Depuis près d’un siècle, l’explication la plus simple est l’existence d’une matière que l’on ne voit pas : la matière noire. Personne ne l’a encore détectée directement, mais sans elle, le modèle cosmologique actuel s’effondre.

Les preuves de son existence

Les amas de galaxies (1933)

En 1933, l’astronome suisse Fritz Zwicky mesure la vitesse des galaxies de l’amas de Coma. Elles se déplacent si vite que l’amas aurait dû se disperser depuis longtemps, sauf s’il contient bien plus de masse que celle des étoiles visibles. Il parle de « matière noire » (dunkle Materie). Son idée reste longtemps marginale.

La rotation des galaxies (années 1970)

Selon les lois de la gravitation, les étoiles du bord d’une galaxie devraient tourner plus lentement que celles du centre, comme les planètes lointaines du système solaire tournent plus lentement que les proches. Dans les années 1970, l’Américaine Vera Rubin, avec Kent Ford, mesure la rotation de la galaxie d’Andromède et d’autres spirales : la vitesse reste à peu près constante jusqu’aux confins. Il faut donc qu’un vaste halo de matière invisible enveloppe chaque galaxie, avec une masse plusieurs fois supérieure à celle des étoiles. C’est vrai aussi pour la Voie lactée.

Les lentilles gravitationnelles

La relativité générale prévoit que la masse courbe la trajectoire de la lumière. Les amas de galaxies déforment et amplifient l’image des galaxies situées derrière eux, comme une loupe. L’intensité de cet effet permet de « peser » les amas : leur masse dépasse largement celle de la matière visible.

L’amas de la Balle (2006)

L’amas de la Balle est le résultat de la collision de deux amas de galaxies. Le gaz chaud, qui contient l’essentiel de la matière ordinaire, a été freiné et s’est accumulé au centre, observé en rayons X. Mais la masse mesurée par effet de lentille se trouve ailleurs, avec les galaxies, qui se sont croisées sans se toucher. La masse principale est donc séparée de la matière ordinaire : un argument fort en faveur d’une matière noire réelle plutôt que d’une simple modification des lois de la gravité.

Le fond diffus cosmologique et les grandes structures

Les minuscules variations de température du fond diffus cosmologique, la lumière émise 380 000 ans après le Big Bang, ont été cartographiées avec une grande précision par les satellites WMAP puis Planck. Leur répartition ne s’explique qu’avec une quantité de matière noire environ cinq fois supérieure à la matière ordinaire. Sans elle, les galaxies n’auraient pas eu le temps de se former : la matière noire a servi d’échafaudage gravitationnel à la toile cosmique.

Combien y en a-t-il ?

Les étoiles elles-mêmes ne représentent qu’une petite fraction de la matière ordinaire, l’essentiel étant du gaz diffus entre les galaxies.

Qu’est-ce que la matière noire pourrait être ?

Ce qu’elle n’est pas

• Pas de la matière ordinaire sombre (gaz froid, planètes errantes, étoiles éteintes) : la quantité totale d’atomes est fixée par la physique des premières minutes de l’Univers et par le fond diffus, et elle est insuffisante.
• Pas surtout des trous noirs ou des astres compacts : les recherches par microlentilles gravitationnelles ont montré qu’ils ne peuvent constituer qu’une faible part du halo, au moins dans la plupart des gammes de masses.
• Pas des neutrinos ordinaires : ils existent bien et ont une masse, mais trop faible, et ils sont trop rapides pour former les structures observées.

Les candidats

Les recherches empruntent trois voies : la détection directe (un noyau atomique percuté par une particule de matière noire, dans un détecteur protégé sous une montagne), la détection indirecte (rayonnements produits par l’annihilation de matière noire au centre des galaxies) et la production dans des accélérateurs comme le LHC du CERN. Le télescope spatial européen Euclid, lancé le 1er juillet 2023, cartographie la répartition de la matière noire sur un tiers du ciel grâce aux lentilles gravitationnelles faibles.

Et si la gravité était différente ?

Une minorité de chercheurs propose de modifier les lois de la gravité plutôt que d’ajouter une matière invisible. La plus connue de ces théories, MOND (dynamique newtonienne modifiée), proposée par l’Israélien Mordehai Milgrom en 1983, rend bien compte de la rotation des galaxies. Elle peine en revanche à expliquer les amas de galaxies, l’amas de la Balle et le fond diffus cosmologique. La matière noire reste l’hypothèse dominante.

Matière noire et énergie noire : ne pas confondre

Le seul point commun est notre ignorance : « noir » signifie ici « inconnu ».

Questions fréquentes

La matière noire est-elle autour de nous ?

Très probablement : si le halo de la Voie lactée est fait de particules, elles traversent en permanence la Terre et notre corps sans interagir. Sa densité locale est estimée à l’équivalent d’environ un tiers de la masse d’un proton par centimètre cube.

La matière noire est-elle la même chose que l’antimatière ?

Non. L’antimatière est une matière ordinaire de charge inverse, bien connue, produite dans les accélérateurs, et qui émet de la lumière en s’annihilant avec la matière. La matière noire n’émet pas de lumière.

Peut-on voir la matière noire ?

Pas directement. On la « voit » par ses effets gravitationnels, notamment en cartographiant la déformation qu’elle impose à l’image des galaxies lointaines.