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Sciences

La synthèse

Matière noire

Par Janus Maat - Publié le 13 août 2021

Résumé récurrent d’une discussion entre amis ou en famille lorsqu’on me présente :
- L’invité : Astrophysicien ? C’est super ! Sur quoi travaillez-vous en ce moment ?
- Moi : La matière noire.
- Lui : Haaa… les trous noirs, j’ai adoré Interstellar vous en pensez quoi ? Et sinon, on ira sur Mars ?
- Moi : Pas trous noirs, matière noire.
- Lui : Ok. Et vous croyez aux extra-terrestres ?

Ce dialogue est loin d’être anecdotique. Il reflète en grande partie la méconnaissance du terme matière noire et qui est pourtant un sujet de recherche tout autant actif (sinon plus) que les trous noirs, tant du point de vue expérimental que théorique. Contrairement aux trous noirs, cette matière n’est pas une prédiction d’une théorie, mais une observation qu’aucune théorie n’avait su prévoir.

C’est en 1933 qu’un astrophysicien suisse, Fritz Zwicky, fait une drôle de découverte dans l’amas de galaxies appelé la chevelure de Bérénice. Un amas de galaxies, comme son nom l’indique, est un ensemble de galaxies, reliées entre elles par la force de gravité, un peu comme les planètes du système solaire sont reliées entre elles par l’attraction de notre Soleil. Contrairement aux planètes, les galaxies suivent des mouvements qui semblent aléatoires, comme des particules dans un gaz ou les grains de riz dans l’eau bouillante. Cependant, même si le mouvement semble hasardeux, il obéit toujours à la loi de la gravitation universelle, et les vitesses moyennes de ces galaxies nous renseignent sur l’intensité de la force qui les attire, et donc sur la masse totale de l’amas de la galaxie. En effet, tout comme une étoile 4 fois plus massive que le Soleil doublera les vitesses de toutes les planètes du système solaire (parce que attirées plus fortement par un Soleil plus massif), à l’inverse, connaitre la vitesse des galaxies de l’amas de Bérénice nous renseigne sur sa masse. Et quelle surprise. Zwicky conclut son article de 1933 par : « Afin d’obtenir [des vitesses] de l’ordre de 1000 kilomètres par seconde, la densité moyenne de l’amas des cheveux de Bérénice doit être 400 fois plus grande que celle déduite de l’observation de la matière lumineuse. Si cela est confirmé, cela voudrait dire que la matière noire est présente en bien plus grande quantité que la matière visible »

Mais que peut bien être cette masse manquante ? Quelques années plus tard, Babcock, en observant cette fois-ci le mouvement de rotation de la galaxie d'Andromède, notre sœur jumelle à quelques 2,5 millions d’années lumière de nous, arrive à la même conclusion. Des milliers d’études plus tard, des amas les plus massifs, aux galaxies les plus petites, la conclusion reste la même : près de 85% de la masse de l’Univers est… invisible. Nous avons même récemment observé une galaxie totalement constituée de matière noire. Même pas une étoile à l’horizon, un véritable monde parallèle, sombre et inhospitalier. De plus, les physiciens savent maintenant d’après l’étude de la formation des galaxies, que cette substance a joué dans le passé le rôle de superglue gravitationnelle qui a permis aux étoiles de se regrouper rapidement, peu de temps après le Big Bang. Sans la matière noire, ni notre galaxie, et encore moins notre système solaire ne seraient actuellement présents, et vous ne seriez pas en train de lire ce chapitre. Mais où se cache cette matière noire, quelle est sa nature, et surtout, serait-il possible de la capturer ?

Pour certains, ce constituant mystérieux pourrait être composé de neutrinos massifs qu’on appelle WIMP pour Weakly Interacting Massive Particle, pour d’autres, ce serait des particules fantômes très légères, oscillant telles des vaguelettes dans l’espace intersidéral, qu’on a baptisées axions, d’autres encore suggèrent des mini-trous noirs primordiaux, formés aux tous premiers instants de l’Univers, enfin certains proposent même de remettre en cause la théorie d’Einstein, suggérant que ces mouvements accélérés des galaxies sont dus à une loi de la gravité différente à l’échelle des galaxies, des amas de galaxie ou de l’Univers, théories répondant au doux acronyme de MOND pour MOdified Newtonian Dynamics … Bref, nous sommes perdus.

Quant aux moyens de la détecter, la difficulté majeure reste la faible interaction de ce constituant sombre avec notre environnement, son invisibilité. La détection dite directe consiste à déposer un piège sous terre, protégé des activités radioactives du ciel. Celui-ci prend la forme d’une grosse cuve remplie de gaz de xénon, pesant plus de 5 tonnes. Les chercheurs attendent qu’une particule de matière noire heurte un noyau d’atome de xénon, et signale ainsi sa présence. L’autre possibilité, dite détection indirecte consiste à regarder avec un télescope des endroits de notre galaxie ou de galaxies voisines où la matière noire pourrait être présente en grande quantité. Leur centre, où trône en général un trou noir super massif attirant toute forme de matière, est une cible privilégiée. On espère qu’un signal émerge de ces zones très denses, issu de la collision de particules de matière qui émettraient de la lumière ou de l’antimatière. La recherche est désormais mondiale, et une course entre l’Europe, les États-Unis et la Chine est lancée, au premier à détecter cette matière mystérieuse, constituant un monde parallèle invisible dominant notre Univers, où pourraient même résider des étoiles noires ou des planètes sombres.

- Lui : intéressant… Vous reprendrez bien du fromage ?


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