La matière noire : le puzzle invisible de l'univers qui fascine les scientifiques

La matière noire est invisible, mais essentiel, selon les astronomes. Selon une théorie standard, le contenu masse-énergie de l'univers serait de 5 % de matière ordinaire, 27 % de matière noire et 68 % d'énergie noire, selon la NASA.

Le concept de matière noire remonte au 19ᵉ siècle. Lord Kelvin a d'abord suggéré qu'une majorité d'étoiles pouvaient être des "corps sombres". Des décennies plus tard, l'astronome néerlandais Jacobus Kapteyn et l'astrophysicien suisse Fritz Zwicky ont proposé cette idée après avoir observé que les galaxies n'avaient pas une masse visible suffisante pour rendre compte de leurs effets gravitationnels.

Mais comprendre cette forme hypothétique de matière revient à reconstituer un puzzle invisible. "C'est quelque chose dont nous connaissons l'existence", a déclaré Lisa Randall, physicienne théoricienne à Harvard, sur le podcast de Lex Fridman. "Nous déduisons l'existence de quelque chose que nous ne voyons pas directement."

La présence de la matière noire est ressentie par son attraction gravitationnelle, qui est l'indice de son existence pour les scientifiques. Bien que la gravité soit une force relativement faible, la quantité de matière noire présente dans l'univers lui permet de jouer un rôle important, notamment dans la formation des galaxies.

Lisa Randall compare la matière noire aux ouvriers invisibles qui travaillent derrière un bâtiment. "C'est comme lorsque nous pensons à un bâtiment, nous pensons à l'architecte, nous pensons au haut niveau, mais nous oublions tous les ouvriers qui ont fait tout le travail de base. En fait, la matière noire a joué un rôle très important dans la formation de notre univers, et nous l'oublions parfois", a-t-elle déclaré.

En théorie, la matière noire transporte même plus d'énergie que la matière visible. "Cinq fois plus d'énergie", précise Lisa Randall, ce qui souligne son rôle important dans l'équilibre énergétique de l'univers.

Contrairement à la matière ordinaire, la matière noire n'interagit pas avec la lumière, pour autant que les scientifiques le sachent. C'est pourquoi nous ne pouvons pas la voir. Elle n'absorbe pas, ne réfléchit pas et n'émet pas de lumière. Comme l'indique la physicienne : "Elle interagit avec la gravitation... mais ne fait pas l'expérience de l'électromagnétisme", ce qui la rend fondamentalement différente.

Photo : Paul Volkmer / Unsplash

Les scientifiques pensent que la matière noire forme un halo à peu près sphérique autour des galaxies. Selon l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), ce phénomène est lié au fait que les galaxies tournent si vite que, sans matière noire, elles auraient été déchirées depuis longtemps. Pourquoi ? Parce que la gravité de la "matière ordinaire" ne suffit pas à les maintenir ensemble. Cela explique également pourquoi des galaxies comme la Voie lactée ont la forme d'un disque.

Bien que nous ne sachions pas de quoi il s'agit, les scientifiques ont une idée de sa structure. "Les scientifiques pensent aujourd'hui que la matière noire existe dans une vaste structure en forme de toile qui serpente à travers tout l'univers - un échafaudage gravitationnel qui attire la plus grande partie de la matière normale du cosmos", explique la NASA.

Les particules massives à interaction faible (WIMP) sont un candidat populaire à la matière noire. Malgré des recherches approfondies, elles restent insaisissables, mais les chercheurs continuent à les rechercher. L'axion est une autre particule candidate.

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Les trous noirs primordiaux (PBH), probablement formés par des fluctuations de densité peu après le Big Bang, sont un candidat convaincant pour la matière noire. Leur masse varie considérablement et ils pourraient imiter la matière noire en exerçant des forces gravitationnelles qui influencent la formation et le mouvement des galaxies. Ne les confondez pas avec les trous noirs formés par l'effondrement des étoiles !

La théorie des "vallées cachées" permet de visualiser un monde parallèle composé de matière noire qui n'a pas grand-chose à voir avec la matière que nous connaissons. Ces vallées contiennent des particules uniques qui n'interagissent pas avec notre matière ordinaire, sauf par le biais de la gravité. Cette théorie est intrigante, car elle propose des types de matière et d'interactions entièrement nouveaux, ce qui pourrait permettre de résoudre certains mystères liés à la matière noire.

Des projets tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) visent à percer les secrets de la matière noire. En fait, la recherche de WIMPs était l'un de ses principaux objectifs... qui n'a toujours pas été atteint. Cependant, la physicienne Lisa Randall a déclaré que les nouveaux détecteurs souterrains au xénon constituent une nouvelle technologie prometteuse.

Lisa Randall a également fait part d'une théorie spéculative liant la matière noire aux phénomènes d'extinction, suggérant que ses perturbations gravitationnelles à la périphérie du système solaire pourraient augmenter les impacts d'astéroïdes. Bien qu'elle n'ait pas été prouvée, cette théorie suggère à quel point les événements cosmiques peuvent être interconnectés.

Selon le CERN, l'énergie noire, qui constitue la majorité de l'univers, semble être associée au vide spatial. Elle est répartie uniformément dans l'espace... et dans le temps. En d'autres termes, elle ne se dilue pas au fur et à mesure que l'énergie se dilate et n'a pas d'effets locaux de gravité. La NASA ajoute qu'elle pourrait être responsable de l'expansion de l'univers, en le poussant au lieu de le rassembler.

Que pourrait-on vraiment résoudre en déchiffrant ce puzzle invisible ? Selon le CERN, "cela pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre la composition de notre univers et, en particulier, la cohésion des galaxies".

Photo : NASA, ESA, CSA, STScI

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