Si un extraterrestre parvenait à visiter notre Univers depuis une réalité parallèle, il y a de fortes chances pour qu’il ne remarque même pas que nous existons.
D’une certaine manière, c’est évident : l’Univers est énorme et notre planète n’est qu’un petit point bleu pâle. Mais c’est pire que cela : les extraterrestres pourraient ne même pas remarquer toutes les étoiles et les planètes qui gravitent autour d’elles. Ils pourraient même manquer les vastes nuages de poussière qui flottent dans l’espace.
Toutes ces choses familières ne constituent qu’une fraction de la matière de notre Univers. Le reste est autre chose, une matière que personne sur Terre n’a jamais vue.
Faute de mieux, les physiciens appellent cette matière « matière noire ». Si elle n’était pas là, les galaxies s’envoleraient. Personne ne sait ce que c’est, mais les physiciens sont sur sa piste.
Tout ce que vous voyez autour de vous, de votre propre corps à la planète sur laquelle vous vous tenez et aux étoiles dans le ciel, est constitué d’atomes. Ceux-ci sont à leur tour constitués de particules plus petites comme les protons et les neutrons, dont beaucoup peuvent être décomposés encore davantage.
Lorsque les physiciens ont commencé à comprendre la composition des atomes au début du XXe siècle, il semblait que nous étions sur le point de comprendre la base de toute la matière de l’Univers.
Mais en 1933, un astronome suisse appelé Fritz Zwicky a commencé à soutenir que la majeure partie de l’Univers devait être constituée de quelque chose d’entièrement différent.
Zwicky a compté toute la matière qu’il pouvait observer dans des groupes de galaxies. Il a constaté qu’il n’y avait pas assez de matière pour expliquer la force de gravité qui les maintenait ensemble.
C’était un théoricien fou qui n’arrivait pas à additionner ses forces
Les galaxies que Zwicky a observées tournaient aussi si vite qu’elles auraient dû se jeter et se disperser dans tous les coins de l’Univers, dit Richard Massey de l’Université de Durham au Royaume-Uni. Chaque galaxie était comme un manège qui tourne trop vite : tout cavalier serait éjecté.
Zwicky s’est rendu compte qu’il devait y avoir quelque chose d’autre, qu’il ne pouvait pas observer directement, mais qui avait une attraction gravitationnelle assez forte pour maintenir tout ensemble. Il a dit que cette forme inconnue de matière était « sombre ».
À l’époque, il était considéré comme un excentrique et ses théories n’étaient pas prises au sérieux. « C’était un théoricien fou qui n’arrivait pas à additionner ses forces, et qui a donc inventé une toute nouvelle forme de matière », dit Massey.
Les travaux de Zwicky ont été largement oubliés jusqu’aux années 1970, lorsque l’astronome Vera Rubin a découvert que les galaxies proches ne tournaient pas de la bonne façon.
Quelque chose devait être là pour empêcher ces étoiles de s’envoler
Dans notre système solaire, une règle simple s’applique. Plus une planète est éloignée du Soleil, plus l’emprise de la gravité est faible. En conséquence, cette planète se déplacera plus lentement, et prendra plus de temps pour compléter une orbite.
La même logique devrait s’appliquer aux étoiles en orbite autour du centre d’une galaxie. Les étoiles les plus éloignées devraient se déplacer le plus lentement, car l’emprise de la gravité s’affaiblit.
Au contraire, Rubin a constaté que les étoiles les plus éloignées se déplacent tout aussi rapidement que les étoiles proches.
Quelque chose devait empêcher ces étoiles de s’envoler. Zwicky avait été sur la bonne piste après tout.
Les astronomes pensent désormais que la matière noire a été fondamentale dans la création de l’Univers tel que nous le connaissons.
La matière noire est comme le vent : on ne peut pas la voir directement, mais on sait qu’elle est là
Il y a près de 14 milliards d’années, quelques instants après le Big Bang, l’Univers a commencé à s’étendre rapidement et des amas de galaxies ont commencé à se former.
Cependant, l’Univers ne s’est pas étendu si vite que toutes ces galaxies se sont envolées dans des coins éloignés. C’est parce que la matière noire ancre tout ensemble, bien qu’elle soit invisible.
Dans un sens, la matière noire est comme le vent : on ne peut pas la voir directement, mais on sait qu’elle est là. De plus, il y en a beaucoup : environ 25 % de l’Univers.
De façon déroutante, on dit parfois que la matière noire représente environ 80 % de toute la matière de l’Univers. C’est parce que seulement 30 % de l’Univers est constitué de matière, et la majeure partie est de la matière noire. Le reste est de l’énergie.
Dès les années 1980, les premières preuves solides de l’existence de la matière noire sont apparues.
La matière noire est le squelette sur lequel s’accroche la matière ordinaire
Par exemple, en 1981, une équipe dirigée par Marc Davis de l’université de Harvard a réalisé l’un des premiers relevés galactiques. Ils se sont rendu compte que les galaxies n’étaient pas disposées de manière uniforme. Elles ne sont « pas simplement saupoudrées comme le glaçage sur un gâteau », explique Carlos Frenk de l’Université de Durham au Royaume-Uni.
Au contraire, les galaxies se rassemblent en grands amas, chacun contenant des centaines de milliers de galaxies. Celles-ci forment des motifs complexes connus sous le nom de « toile cosmique ». Cette toile est liée à la matière noire.
En d’autres termes, la matière noire est le squelette sur lequel la matière ordinaire est suspendue, explique Carolin Crawford de l’Université de Cambridge au Royaume-Uni. « Nous savons qu’elle devait être présente au début de l’Univers. Il est crucial d’avoir ces éléments regroupés qui vont ensuite développer les structures que nous voyons. »
La découverte de ces amas a fait sensation, dit Frenk. Davis, son patron de l’époque, l’a mis au défi de comprendre pourquoi les galaxies étaient disposées de cette façon.
Lorsque Frenk a commencé ses recherches, il a découvert que quelqu’un prétendait l’avoir devancé. En 1980, une équipe russe dirigée par VA Lyubimov avait exposé une explication possible de la matière noire. Ils proposaient qu’elle soit constituée de neutrinos.
Nous avons découvert qu’un Univers avec de la matière noire chaude ne ressemblait en rien à un véritable Univers
Cela avait un certain sens. Les neutrinos sont des particules sombres et fantomatiques qui n’interagissent pratiquement avec rien d’autre. Les chercheurs ont suggéré que la masse combinée de tous les neutrinos de l’Univers pourrait expliquer la masse manquante.
Il y avait un problème. Les neutrinos sont de la « matière noire chaude », ce qui signifie qu’ils sont légers et donc capables de se déplacer rapidement. Lorsque Frenk a simulé un cosmos rempli de matière noire chaude, il a constaté que cela ne pouvait pas fonctionner.
« À notre grande déception, nous avons constaté qu’un Univers avec de la matière noire chaude ne ressemblait en rien à un véritable Univers », dit Frenk. « Il était joli mais pas celui dans lequel nous vivons. Il y avait cet énorme superamas de galaxies, dont nous savions qu’il n’existait pas. »
Au contraire, la matière noire doit être froide et se déplacer lentement. L’étape suivante a été de trouver où se trouve cette matière noire froide.
Bien que nous ne puissions pas la voir directement, la matière noire fait une chose pour se trahir. Elle déforme la lumière qui la traverse. C’est un peu comme lorsque la lumière brille à travers une piscine ou une fenêtre de salle de bain givrée.
Nous avons au moins une idée approximative de l’endroit où se trouve la matière noire
L’effet est appelé « lentille gravitationnelle » et il peut être utilisé pour déterminer où se trouvent les nuages de matière noire. Grâce à cette technique, les scientifiques créent des cartes de la matière noire de l’Univers.
Pour l’instant, ils n’ont cartographié qu’une fraction. Mais l’équipe à l’origine d’un de ces projets a des objectifs ambitieux, espérant cartographier un huitième de notre Univers, ce qui représente des millions de galaxies. Pour mettre cela en contexte, notre propre galaxie, la Voie lactée, contient des milliards d’étoiles et peut-être jusqu’à 100 milliards de planètes.
Pour l’instant, ces cartes sont trop grossières pour montrer le moindre détail. C’est comme si vous disiez que vous avez une idée de base des continents de la Terre, mais que ce qui vous intéresse vraiment, c’est la forme des montagnes et des lacs, explique Gary Prezeau du Jet Propulsion Laboratory de la Nasa à l’Institut de technologie de Californie.
Nous avons tout de même une idée approximative de l’endroit où se trouve la matière noire. Mais nous ne savons toujours pas ce qu’elle est.
Plusieurs idées ont été avancées, mais à l’heure actuelle, la suggestion la plus populaire est que la matière noire est constituée d’un nouveau type de particules, prédites par la théorie mais jamais détectées. Elles sont appelées WIMPs : Weakly Interacting Massive Particles.
Le terme « WIMP » n’est qu’une accroche, et pourrait inclure de nombreux types de particules différentes
Les WIMPs sont faibles dans tous les sens du terme, explique Anne Green de l’Université de Nottingham au Royaume-Uni. Tout d’abord, ils interagissent à peine entre eux, et encore moins avec la matière normale. Lorsque vous frappez un mur, votre main entre en collision avec lui, mais lorsqu’un WIMP frappe un mur ou lui-même, il passe généralement tout droit.
La deuxième partie de l’acronyme parle d’elle-même. Les WIMPs ont beaucoup de masse, bien qu’ils ne soient pas nécessairement grands. Ils pourraient peser des centaines ou des milliers de fois plus qu’un proton, dit Green.
Le truc, c’est que nous ne savons pas.
Le terme « WIMP » n’est qu’une accroche, et pourrait inclure de nombreux types de particules différentes, dit Massey. Pire, parce qu’elles sont supposées être si fantomatiques, elles sont extrêmement difficiles à détecter.
À ce stade, vous pouvez lever les bras en l’air en signe de frustration. « D’abord, ils ont décidé qu’il y a toute cette matière invisible, maintenant ils ont décidé qu’elle est faite d’une nouvelle sorte de substance qu’ils ne peuvent pas détecter ! C’est stupide. » Eh bien, vous n’êtes pas la première personne à le dire.
Dès 1983, certains physiciens ont soutenu que la matière noire n’existe pas du tout. Au lieu de cela, les lois de la gravité telles que nous les connaissons doivent être fausses, et c’est pourquoi les galaxies se comportent si bizarrement. Cette idée est appelée MOND, abréviation de « Modified Newtonian Dynamics ».
Quiconque veut inventer une nouvelle théorie de la gravité doit faire mieux qu’Einstein
« Nous interprétons tous ces manèges de l’Univers, comment ils tournent en rond et sont tirés par la gravité, en supposant que nous savons comment la gravité fonctionne », dit Massey. « Peut-être que nous nous sommes trompés sur la gravité et que nous interprétons mal les preuves. »
Le problème, selon Massey, est que les partisans de MOND n’ont pas proposé d’alternative viable à la matière noire : leurs idées ne peuvent pas expliquer les données. « Quiconque veut inventer une nouvelle théorie de la gravité doit faire mieux qu’Einstein et expliquer tout ce qu’il a pu expliquer, et aussi rendre compte de la matière noire. »
En 2006, la NASA a publié une image spectaculaire qui, pour de nombreux chercheurs, a tué MOND pour de bon.
L’image montre deux énormes amas de galaxies entrant en collision. Comme la plupart de la matière est clairement visible au centre, c’est là que l’on s’attendrait à ce que la plupart de la gravité existe.
Il y a trois façons différentes de trouver la matière noire
Mais les régions extérieures montrent une lumière qui est également pliée par la gravité, ce qui implique qu’il y a une autre forme de matière dans ces zones. L’image a été saluée comme une preuve directe de l’existence de la matière noire.
Si c’est vrai, nous sommes de retour là où nous étions. Le défi est de trouver la matière noire quand nous ne savons pas ce que nous cherchons.
Cela peut sembler pire que le vieux problème de l’aiguille dans la botte de foin, mais en fait il y a trois façons différentes de la trouver.
La première façon est d’observer la matière noire en action dans le cosmos. En surveillant son comportement à l’aide des « cartes » de matière noire existantes, les astronomes pourraient être en mesure de détecter un crash occasionnel.
Ils ont trouvé une zone de notre galaxie Voie lactée qui semble briller avec des rayons gamma
Les particules de matière noire passent généralement à travers la matière normale. Mais leur nombre important fait que, très occasionnellement, certaines entrent en collision avec le noyau d’un atome.
Lorsque cela se produit, la matière noire « donne un coup de pied » à l’atome, le faisant reculer comme une boule de billard. Cette collision devrait créer des rayons gamma : une lumière d’extrêmement haute énergie. En ces rares occasions, « la matière noire peut briller », dit Frenk.
« Il y a des expériences de détection directe qui cherchent ces reculs nucléaires », dit Green.
En 2014, en utilisant les données du puissant télescope Fermi de la NASA, des chercheurs ont affirmé avoir détecté les rayons gamma de ces collisions. Ils ont trouvé une zone de notre galaxie Voie lactée qui semble briller de rayons gamma, peut-être issus de la matière noire.
Les schémas correspondent aux modèles théoriques, mais le jury ne sait toujours pas si les rayons gamma proviennent vraiment de la matière noire. Ils pourraient également provenir d’étoiles énergétiques appelées pulsars, ou d’étoiles en effondrement.
En plus d’entrer en collision avec la matière normale, la matière noire pourrait occasionnellement se heurter à elle-même, et il existe un moyen de voir cela aussi.
Vous ne pouvez pas saisir un nuage de matière noire de la taille d’une galaxie et le mettre sous un microscope
L’équipe de Massey a récemment surveillé les galaxies qui se fracassent les unes contre les autres. Ils s’attendaient à ce que toute la matière noire des galaxies passe tout droit, mais au lieu de cela, une partie d’entre elle a ralenti, traînant derrière la galaxie à laquelle elle appartenait.
Cela indique qu’elle avait interagi avec d’autres matières noires. « Si c’est le cas, alors c’est la première preuve qu’elle se soucie juste un tout petit peu du reste du monde », dit Massey.
Ces deux méthodes ont un inconvénient majeur : vous ne pouvez pas saisir un nuage de matière noire de la taille d’une galaxie et le mettre sous un microscope. Les physiciens espèrent y parvenir en utilisant des collisionneurs de particules, comme le Large Hadron Collider (LHC) à Genève, en Suisse.
Le LHC écrase des protons à des vitesses proches de celle de la lumière. Ces collisions sont suffisamment puissantes pour décomposer les protons en leurs éléments constitutifs. Le LHC étudie ensuite ces débris subatomiques.
Lors de ces puissantes collisions, de nouvelles particules telles que les WIMPs pourraient bien être découvertes, affirme Malcolm Fairbairn du Kings College London au Royaume-Uni.
« Si les WIMPs constituent effectivement la matière noire et que nous les découvrons au LHC, nous avons de bonnes chances de découvrir de quoi est composée la matière noire de l’Univers », dit-il.
Cependant, si la matière noire ne ressemble pas à un WIMP, le LHC ne la détectera pas.
Les scientifiques attendent les rares occasions où les WIMP entrent en collision avec la matière normale
Il y a une autre difficulté. Si le LHC crée effectivement de la matière noire, elle ne serait pas réellement enregistrée sur ses détecteurs.
A la place, le système pourrait trouver un groupe de particules se déplaçant dans une direction mais rien dans l’autre, dit Fairbairn. La seule façon dont cela pourrait se produire est qu’il y avait quelque chose d’autre en mouvement que les détecteurs n’ont pas pu capter. « Il pourrait alors s’agir d’une particule de matière noire. »
Si cette solution échoue également, les physiciens ont une troisième option à laquelle ils peuvent recourir : voyager dans les profondeurs du sous-sol.
Dans les anciennes mines et à l’intérieur des montagnes, les scientifiques attendent les rares occasions où les WIMPs entrent en collision avec la matière normale – le même genre de collisions que le télescope Fermi a pu observer dans l’espace profond.
Des milliards de particules de matière noire nous traversent chaque seconde. « Elles sont dans votre bureau, dans votre chambre, partout », dit Frenk. « Elles traversent vos corps à raison de milliards par seconde et vous ne sentez rien. »
Il y a eu quelques fausses alertes en cours de route
En théorie, nous devrions être capables de repérer les petits flashs de rayons gamma issus de ces collisions. Le problème, c’est que beaucoup d’autres choses passent aussi, y compris des radiations sous forme de rayons cosmiques, et cela submerge le signal de la matière noire.
D’où les expériences souterraines : les roches au-dessus bloquent la plupart des radiations, mais laissent passer la matière noire.
Pour l’instant, la plupart des physiciens s’accordent à dire que nous n’avons pas encore vu de signaux convaincants de ces détecteurs. Un article publié en août 2015 explique que le détecteur XENON100 du laboratoire national italien du Gran Sasso n’a rien trouvé.
Il y a eu quelques fausses alertes en cours de route. Une autre équipe du même laboratoire, utilisant un détecteur différent, a affirmé pendant des années que son expérience DAMA avait détecté de la matière noire. Ils semblent effectivement avoir trouvé quelque chose, mais la plupart des physiciens disent que ce n’est pas un WIMP.
L’un de ces détecteurs, ou le LHC, pourrait encore trouver de la matière noire. Mais la trouver à un seul endroit ne sera pas suffisant.
C’est un rappel humble du chemin qu’il nous reste à parcourir avant de vraiment comprendre notre Univers
« En fin de compte, nous devrons découvrir la matière noire de plus d’une façon pour être sûrs que la chose que nous observons en laboratoire est la même qui vole dans les galaxies », dit Fairbairn.
Pour l’instant, la majeure partie de notre Univers reste sombre, et on ne sait pas combien de temps cela va rester ainsi.
Certains cosmologistes, dont Frenk, ont bon espoir d’obtenir des réponses dans la prochaine décennie. D’autres, comme Green, sont moins confiants. Si le LHC ne trouve pas quelque chose bientôt, dit-elle, nous cherchons probablement la mauvaise chose.
Cela fait plus de 80 ans que Zwicky a suggéré pour la première fois l’existence de la matière noire. Pendant tout ce temps, nous n’avons pas été en mesure de mettre la main sur un échantillon, ni de préciser ce qu’elle est.
C’est un rappel humble du chemin qu’il nous reste à parcourir avant de vraiment comprendre notre Univers. Nous pouvons comprendre toutes sortes de choses, du début de l’Univers à l’évolution de la vie sur Terre. Mais la majeure partie de notre Univers est encore une boîte noire, ses secrets attendant d’être déverrouillés.
Melissa Hogenboom est la rédactrice vedette de BBC Earth, elle est @melissasuzanneh sur twitter.
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