Qu’est-ce que la matière noire ? Matière invisible aussi bien par l’œil que par les microscopes les plus puissants au monde. Mais comment les scientifiques ont découvert son existence s’ils ne pouvaient pas la voir ? Et a-t-elle des effets visibles dans l’univers ? Nos petits personnages rouges nous accompagnent dans cette aventure pour en savoir plus sur cette matière mystérieuse.

Qu’est-ce que la matière noire ? C’est une matière qui représenterait plus de 80% de la masse de notre univers.

Il y a la matière ordinaire, celle de tous les jours, la terre, notre corps, les étoiles…

Mais alors, c’est quoi la matière noire ?

Tout ce qui est invisible, c'est de la matière noire ? Non, bien-sur ! (Crédit Julien Ridouard)

C’est une matière qui a une masse, comme la matière ordinaire. Mais le petit problème, c’est qu’on ne peut pas la voir, d’où son nom de matière noire. Elle ne reflète ni émet de lumière.
Mais comment les physiciens ont supposé son existence s’ils ne peuvent pas la voir ?

Pour cela, revenons un peu dans le passé. Au début, on a essayé de comprendre comment notre terre tournait autour du soleil. Puis on s’est intéressé aux étoiles de notre système solaire. On a fini par établir une loi qui semblait fonctionner. La loi de la gravitation proposée par Isaac Newton en 1687.

Puis en 1915, Albert Einstein propose une loi de la gravitation plus robuste, appelée relativité générale, qui a révolutionné notre façon de penser la gravitation et qu’aucune mesure expérimentale n’a encore permis de la remettre en question (Retrouvez l'article du blog sur la relativité générale ici).
Nous voilà avec une belle loi, solide, qui fonctionne très bien pour notre système solaire.

Voir toujours plus grand

Des chercheurs ont dit, très bien elle fonctionne, on va l’appliquer à des galaxies que l’on observe dans le ciel, à ces assemblages de milliards d’étoiles. Et là, patatras, ça ne fonctionnait pas. Avec ce modèle, les étoiles ne tiendraient pas ensemble autour des galaxies. Il n’y a pas assez de masse dans les galaxies pour tous les faire tenir ensemble. Et on a remarqué que certaines étoiles tournent trop vite. Alors, ils ont suggéré et si on ajoutait une masse supplémentaire, que l’on ne voit pas ? On a imaginé une matière invisible. Et en ajoutant juste ce qui nous fallait de cette matière dans les équations, tout fonctionnait très bien. On a retrouvé les formes des galaxies telles que l’on peut les voir dans le ciel.

Problème de masse des galaxies (Crédit Julien Ridouard)

Le problème maintenant, c’est que l’on a ajouté de la masse que l’on ne voit pas. On va l’appeler matière noire, ou matière sombre, ou matière manquante, matière que l’on a ajoutée pour que notre loi fonctionne.

Et si c'était notre théorie qui ne fonctionnait pas ? (Crédit Julien Ridouard)

Certains physiciens ont donc pensé, mais si ça se trouve, c’est notre loi de la gravitation qui ne fonctionne pas. Et certains ont proposés de nouvelles théories comme la théorie de la dynamique Newtonienne modifiée, la MOND. Malheureusement, elle ne résout pas tous les problèmes. Ce serait trop simple.

Alors, en parallèles, d’autres physiciens se sont dit, mais si ça se trouve, cette matière invisible existe réellement. De nombreuses expériences scientifiques ont été menées depuis et ont amené la communauté des chercheurs à croire solidement en l’existence de la matière noire.

Voilà, de façon indirecte, on a supposé l’existence de cette matière. Mais maintenant, il serait intéressant de pouvoir mesurer plus directement son existence, pour être sûr qu’elle existe réellement cette matière noire.

La matière noire permettrait d’expliquer notre existence

On a fait d’autres mesures depuis. On a vu que les galaxies, amas d’étoiles, etc. ne sont pas répartis de façon homogène dans l’univers visible. Ils se regroupent en certains endroits précis de l’univers. Ceci doit trouver une explication dans les débuts de notre univers, peu de temps après le Big-Bang. On a donc supposé que les particules initiales, protons, neutrons et électrons, ont dû se concentrer à quelques endroits après le Big-Bang formant de légères fluctuations appelés « fluctuations primordiales ».

Après des mesures réalisées par le satellite COBE en 1992 du fond diffus cosmologique, la plus vieille trace de l’univers jeune qu’il est permis de mesurer, on s’est aperçu que ces fluctuations primordiales étaient trop faibles pour expliquer la répartition des grands objets de notre univers.

C’est là que la matière noire refait son apparition pour sauver la théorie ! Après le big-bang, les particules ne pouvaient pas se regrouper pour former des atomes à cause de la pression créée par les photons, ces grains de lumière, et les fluctuations primordiales étaient trop faibles. En revanche, la matière noire, elle, n’interagit pas avec les photons. Cette matière noire aurait donc pu créer des grumeaux, des fluctuations qui auraient permis la création des atomes, des galaxies et autres amas dans l’univers.

La matière noire serait un élément essentiel à la création de notre univers tel qu'il est actuellement (Crédit Julien Ridouard)

Une observation indirecte

De façon expérimentale, on a pu observer l’effet de cette matière invisible. Certes, elle n’émet pas de lumière mais elle à une masse, alors elle déforme l’espace-temps autour d’elle par gravité (retrouver l’article « La terre ne tourne pas autour du soleil » pour plus d’explications) ! Et ça, on peut le voir. La gravité dévie les rayons de lumière. On a donc regardé dans le ciel si on voyait des objets tout déformés. Cela a été le cas. On a observé des galaxies complètement tordues. Par des modèles, on a mis de la matière noire devant ces galaxies pour voir l’effet sur son image de la Terre. La lumière provenant des galaxies était déviée par cette matière invisible et déformait complètement l’image de la galaxie, exactement comme ce que l’on voit dans le ciel. A ce moment-là, les scientifiques venaient de prouver indirectement l’existence de cette matière !

Les taches bleutés sont plusieurs images d'une même galaxie située loin derrière l'amas en jaune visible en avant-plan. Les rayons lumineux ont été déviés en passant à travers l'amas jaune constituée de matière ordinaire et de matière noire. (Crédit W. N. Colley, HST, NASA)

On ne sait pour l’heure toujours pas de quoi elle est constituée. Le défi des nouvelles générations de chercheur ?