7 mystères cosmiques que seule la matière noire semble pouvoir expliquer

Une présence invisible mais indispensable

La science compte énormément sur elle. La matière noire constitue environ 85 % de la masse de l’univers. Comme son nom l’indique, cette substance est « noire » : elle n’absorbe, n’émet et ne reflète aucune lumière. Point crucial à noter, la matière noire n’a encore jamais été détectée directement, ni « vue » par nos instruments.

Pourtant, les astronomes observent constamment l’influence gravitationnelle de quelque chose sur d’innombrables entités cosmiques. Il existe un décalage entre ce que l’on voit et les mouvements observés, une anomalie que la matière noire résout de manière très commode. Cela signifie que pour de nombreuses observations astronomiques, la prise en compte de la matière noire a été la clé pour mieux comprendre les trous noirs, les supernovas, les galaxies lointaines ou même l’univers dans son ensemble.

Même si nous n’en avons jamais trouvé, ni ne comprenons sa véritable forme, les enjeux sont élevés pour les astronomes. La présence profonde de la matière noire dans l’univers implique que cette liste aborde une portion petite, mais cruciale, des énigmes cosmiques pour lesquelles ce concept hypothétique sert de meilleure solution.

1. L’univers dans son intégralité

Le premier point concerne l’ensemble du cosmos. Toute la prémisse de la matière noire part des 85 % de masse manquante dans l’univers entier. La matière ordinaire — c’est-à-dire tout ce que nous pouvons voir, comme les planètes, les étoiles et les gens — ne constitue qu’environ 15 %, soit même pas la moitié de la masse totale.

L’Agence spatiale européenne (ESA) et la collaboration Planck ont produit une image du ciel entier montrant la distribution de la matière noire à travers toute l’histoire de l’univers, telle qu’elle est projetée sur le ciel. Sur cette carte, les portions grises correspondent à des zones du ciel qui étaient trop lumineuses pour que les chercheurs puissent les analyser.

Ce ratio informe une grande partie de la manière dont les scientifiques supposent que la matière noire explique les autres éléments de cette liste, ainsi que la raison de cette supposition. Si la matière noire compose 85 % de la masse de l’univers, elle exercerait à peu près autant d’influence gravitationnelle sur la matière visible. Cela signifie qu’il serait difficile de trouver quoi que ce soit qui ne soit pas bousculé par cette force invisible.

2. Les galaxies spirales

Comme l’indique la NASA : « Bien que tous les astronomes ne soient pas d’accord sur ce que pourrait être la matière noire, son existence est largement acceptée. » La matière noire est devenue le consensus dominant dans les années 1970, lorsque l’astronome américaine Vera Rubin a démontré comment, sans matière noire, les galaxies spirales comme notre Voie lactée se comportent d’une manière qui ne correspond pas aux lois physiques existantes.

Selon la vieille sagesse astronomique, plus l’orbite d’une étoile est rapide, plus il devrait y avoir de masse — et donc de gravité — dans n’importe quelle section d’une galaxie. En se basant sur le contenu visible de quelque 60 galaxies étudiées par Rubin, elle s’attendait à ne voir des étoiles tourner rapidement qu’au centre, là où la lumière des étoiles était concentrée.

Mais en fait, les étoiles situées en périphérie se déplaçaient tout aussi vite. Cela n’avait aucun sens, car la combinaison de la matière visible dictait que, si ces vitesses étaient réelles, la galaxie aurait dû se déchirer elle-même. La seule explication plausible était qu’une masse invisible, comme la matière noire, maintenait les galaxies ensemble.

3. Le Centre Galactique

Les astronomes pensent que la matière noire pourrait être responsable de bien plus que la simple forme de la Voie lactée. Certaines études ont suggéré que nous surestimons la quantité de matière noire présente dans la Voie lactée. Pourtant, les astronomes croient que l’abondance générale de cette substance pourrait aider à investiguer les traits non définis de notre galaxie.

L’année dernière, par exemple, une équipe de l’Université Johns Hopkins a proposé qu’un mystérieux excès de rayons gamma au Centre Galactique était produit par des collisions de particules de matière noire. Cette hypothèse tente d’expliquer des phénomènes énergétiques que la matière visible seule peine à justifier.

Tout récemment, ce mois-ci, une étude de l’Institut d’Astrophysique de La Plata en Argentine a soutenu que, statistiquement parlant, il est étonnamment sensé de supposer qu’un « noyau de matière noire » massif au Centre Galactique contrôle la population stellaire locale.

4. La lentille gravitationnelle

Selon la relativité générale, la gravité est la distorsion de l’espace-temps. Les entités cosmiques de poids lourd, comme les étoiles ou les galaxies, génèrent assez de force gravitationnelle pour courber l’espace-temps. Lorsque la lumière voyage le long de ces chemins déformés, elle apparaît courbée aux observateurs terrestres.

Puisque la matière noire possède aussi une masse — et une quantité importante — elle apparaît souvent dans les observations de lentilles gravitationnelles. Ce phénomène, que les astronomes utilisent comme une technique de visualisation pratique, utilise les propriétés de courbure de la lumière par la gravité pour observer des objets célestes qui seraient typiquement difficiles, voire impossibles, à voir.

Mais lorsque la matière noire entre en scène, elle crée des apparitions qui donnent l’impression aux astronomes que l’espace-temps subit un bug informatique. Un exemple frappant est cette étrange Croix d’Einstein à cinq points, où la lumière est tellement déformée qu’elle multiplie l’image d’une source unique.

5. L’amas du Boulet (Bullet Cluster)

En 2006, l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA a publié une image composite frappante de l’amas de galaxies 1E 0657-56, surnommé l’amas du Boulet (Bullet Cluster). Cet amas a été formé par l’un des événements les plus énergétiques que l’humanité ait observés depuis le Big Bang.

Le gaz chaud produit durant la collision interagit électromagnétiquement, donc nous devrions être capables de suivre comment et où il se déplace. Cependant, la lentille gravitationnelle a révélé que la majeure partie de la masse de l’amas (montrée en bleu sur les images composites) se trouvait autour des galaxies — et non au centre, là où se trouvait le gaz (montré en rose).

À la suite du travail fondateur de Rubin en astrophysique de la matière noire, l’image de l’amas du Boulet est devenue l’une des démonstrations les plus fortes de l’influence de la matière noire sur l’univers, prouvant que la masse invisible et le gaz visible s’étaient séparés lors de la collision.

6. La supersymétrie

Les physiciens des particules ont l’intuition que la matière noire et la supersymétrie pourraient être étroitement connectées. Cette idée prédit que les particules porteuses de force (comme les photons) et les particules de matière (comme les protons) devraient venir par paires, ce qui pourrait aider à éclaircir les quelques divergences cruciales du Modèle Standard de la physique des particules, par ailleurs presque parfait.

Selon le CERN, de nombreuses théories supersymétriques font l’hypothèse que ces particules partenaires seraient stables, électriquement neutres et interagissant faiblement avec la matière visible. Ce sont exactement les critères recherchés dans la quête de la matière noire.

Le propre Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN n’a trouvé aucune preuve directe de la supersymétrie pour le moment. Malgré cela, les physiciens espèrent toujours que les connexions entre la supersymétrie et la matière noire existent et finiront par être révélées.

7. Les anomalies du fond diffus cosmologique

Le fond diffus cosmologique est une relique de la naissance explosive de notre univers : le Big Bang. Il s’agit d’une lueur de rayonnement presque uniforme qui agit comme un enregistrement pour les astronomes, leur permettant de suivre et d’étudier comment la matière a évolué au fil du temps dans l’univers.

Toutefois, des détecteurs particulièrement sensibles ont capté d’étranges variations de températures, que les scientifiques pensent représenter des empreintes de la matière noire. Bien que la matière noire n’interagisse pas directement avec le rayonnement, l’effet de sa force gravitationnelle aurait laissé des imperfections, ou anisotropies, dans le fond diffus cosmologique.

La distribution de telles anisotropies est la manière dont les scientifiques ont été capables de décrire des propriétés physiques clés de la forme de l’univers. En ce qui concerne les défauts, celui-ci s’avère donc être un défaut plutôt utile.

Conclusion : Un puzzle encore incomplet

Ces sept phénomènes illustrent à quel point notre compréhension actuelle de l’univers repose sur l’hypothèse de la matière noire. Des mouvements des galaxies à la structure même du rayonnement fossile, tout semble pointer vers cette substance insaisissable.

Pour l’instant, la matière noire reste une théorie indispensable qui comble les vides laissés par la matière visible. Tant qu’elle n’aura pas été détectée directement, elle demeurera l’un des plus grands défis de l’astrophysique moderne, une ombre nécessaire pour que la lumière de nos connaissances garde son sens.

Créé par des humains, assisté par IA.