Une masse manquante

Dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin a mesuré la vitesse de rotation des étoiles dans de nombreuses galaxies spirales, s'attendant à ce qu'elles ralentissent avec la distance au centre, comme le font les planètes autour du Soleil. Au lieu de cela, les étoiles périphériques tournaient presque aussi vite que celles du centre — un comportement impossible à expliquer avec la seule masse visible de la galaxie. Il fallait une masse invisible supplémentaire, répartie dans un vaste halo entourant chaque galaxie, pour fournir la gravité nécessaire à ce mouvement.

Cette masse invisible, baptisée matière noire, n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit aucune lumière détectable — d'où son nom, bien que « matière transparente » serait sans doute plus exact. Elle représente environ 27 % du contenu total de l'univers, contre seulement environ 5 % pour la matière ordinaire (étoiles, planètes, gaz, poussière — tout ce qui compose les atomes que nous connaissons).

L'amas du Boulet, une preuve visuelle

L'une des preuves les plus convaincantes de l'existence de la matière noire provient de l'amas du Boulet (Bullet Cluster), la collision en cours de deux amas de galaxies. Lors d'une telle collision, le gaz chaud de chaque amas — qui constitue l'essentiel de leur matière ordinaire — entre en collision et ralentit, se retrouvant au centre de la zone d'impact. La matière noire, elle, n'interagissant que par gravité et pratiquement pas avec la matière ordinaire, traverse la collision sans ralentir, se retrouvant en avance de chaque côté.

En combinant les observations aux rayons X (qui révèlent la position du gaz chaud) et les mesures de lentille gravitationnelle (qui révèlent où se concentre réellement la masse, en observant comment elle déforme la lumière des galaxies d'arrière-plan), les astronomes ont pu montrer que l'essentiel de la masse de l'amas du Boulet est décalée par rapport au gaz visible — une signature difficile à expliquer autrement que par la présence de matière noire.

Cette image de l'amas Abell 1689, qui regroupe environ un millier de galaxies, superpose à la photographie réelle de Hubble (les points jaunes et blancs) une carte bleutée de la matière noire, reconstituée mathématiquement à partir de la façon dont sa masse déforme et courbe la lumière des galaxies bien plus lointaines situées derrière l'amas — un effet de lentille gravitationnelle visible directement sur l'image sous forme de fins arcs incurvés parsemant le champ. Cette carte révèle que la matière noire ne se répartit pas de façon homogène, mais se concentre en un halo dense et irrégulier centré sur l'amas, largement plus étendu que la seule matière visible.

Cette technique de reconstruction, affinée sur des dizaines d'amas de galaxies depuis les années 2000, permet aux astronomes de dresser des cartes de plus en plus précises de la répartition de la matière noire à travers l'univers — sans jamais l'observer directement, mais en mesurant systématiquement son empreinte gravitationnelle sur la lumière qui nous parvient de bien plus loin encore.

Que pourrait être la matière noire ?

Malgré des décennies de recherche, la nature exacte de la matière noire reste l'un des plus grands mystères non résolus de la physique. L'hypothèse la plus étudiée propose des WIMPs (particules massives interagissant faiblement), des particules hypothétiques qui n'existent dans aucun modèle actuellement confirmé de la physique des particules, mais que plusieurs expériences souterraines tentent de détecter directement, en les protégeant du bruit des rayons cosmiques ordinaires.

D'autres candidats incluent les axions, des particules encore plus légères et hypothétiques, ou des trous noirs primordiaux formés dans les tout premiers instants de l'univers. Aucune de ces hypothèses n'a pour l'instant été confirmée, et certains physiciens explorent même des modifications des lois de la gravité elle-même comme alternative — bien que cette piste peine à expliquer l'ensemble des observations, notamment celle de l'amas du Boulet.

L'énergie noire et l'accélération de l'univers

Encore plus mystérieuse, l'énergie noire représente près de 68 % du contenu total de l'univers et serait responsable de l'accélération de son expansion, découverte en 1998. Contrairement à la matière noire, qui attire par gravité comme toute masse, l'énergie noire semble agir comme une forme de pression négative qui repousse l'espace lui-même, à l'échelle de l'univers entier.

L'hypothèse la plus simple l'assimile à la constante cosmologique, un terme qu'Einstein avait lui-même introduit — puis rejeté, le qualifiant plus tard de « plus grande erreur » de sa carrière — dans ses équations de relativité générale, avant de découvrir bien plus tard qu'une composante de ce type semble effectivement nécessaire pour rendre compte de l'expansion accélérée observée.

Le modèle standard de la cosmologie

L'ensemble de ces composantes — environ 5 % de matière ordinaire, 27 % de matière noire, et 68 % d'énergie noire — forme ce que les cosmologistes appellent le modèle Lambda-CDM (pour matière noire froide et constante cosmologique), le cadre théorique de référence qui décrit avec un succès remarquable la structure et l'évolution de l'univers observable, du fond diffus cosmologique jusqu'à la répartition actuelle des galaxies en amas et filaments géants.