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    Matière noire, le fantôme de l'Univers  
    Gabrielle Carpel - Ciel & Espace, no 509 - 2012-10-01      
    La quasi-totalité de la matière de l'Univers échappe toujours aux recherches. Les astronomes en voient les effets, la cartographient, la mesurent…
Mais ils ne parviennent ni à l'observer directement, ni à préciser sa nature.
 
    Appelée matière noire, cette masse insaisissable semble contenir les astrophysiciens au cœur d'une impasse, dont certains tentent de sortir, faute de mieux, par des solutions toujours plus exotiques.  
    La matière noir n'existe pas. On l'a trouvé près du Soleil". "Où est passée la matière noire ?" Ces derniers mois, la recherche autour de la matière noire prend les airs d'une véritable cacophonie. Si la plupart des scientifiques s'entendent sur le fait qu'il existe, dans l'Univers, une proportion de matière totalement mystérieuse qui échappe aux observations, tous ne sont pas d'accord sur l'endroit où elle se trouve. Encore moins sur sa nature fondamentale.  
    En avril 2012, des Chiliens annoncent que cette matière mystérieuse est absente du voisinage solaire. Pour cela, ils s'appuient sur l'observation attentive du mouvement de 412 étoiles proches. Un mois plus tard, des chercheurs de l'université de Princeton les contredisent, considérant que l'une des hypothèses de travail des Chiliens est fausse. Autrement dit, à partir des mêmes données, interprétées différemment, ils concluent que le voisinage du Soleil peut bel et bien abriter de la matière noire.  
   

Cette simulation numérique d'une grande partie de l'Univers montre la répartition à grande échelle de la matière noire, autour des amas de galaxies.

 
    En juillet 2012, une équipe suisse de l'université de Zurich annonce à son tour avoir trouvé la matière noire non loin de notre étoile, Cette fois, elle a pris en compte les mouvements de 2'000 étoiles de faible masse enregistrés dans diverses bases de données, notamment celles du satellite européen Hipparcos. À nouveau, l'étude a été immédiatement contestée par des confrères qui leur reprochent l'imprécision des mesures prises en compte.  
   

Chronologie

 
1933   Fritz Zwicky, astrophysicien americano-suisse, observe la vitesse anormalement élevée des amas de galaxies, Ceux-ci seraient donc plus massifs que ce que l'on en voit.  
1970   L'Américaine Vera Rubin constate que, dans les galaxies spirales, la vitesse des étoiles reste constante à partir d'une certaine distance du centre. Ce qui est en désaccord avec les lois newtoniennes.  
1973   En se basant sur des simulations numériques, Ostriker et Peebles montrent que les disques galactiques sont instables en l'absence d'un halo étendu de matière noire.  
1983   Mordehai Milgrom, physicien israélien, propose la théorie Mond qui explique les courbes de rotation des galaxies spirales sans recourir à la matière noire.  
   

 

 
    Ce dialogue de sourds entre équipes d'astrophysiciens révèle à quel point il est difficile de traquer une matière qui, jusqu'à présent, ne se signale qu'indirectement. Difficile aussi de définir cette chose que l'on n'a pas trouvée et dont on ne connaît pas la nature. Tout d'abord appelée "masse manquante" ou "masse cachée" : la mystérieuse substance est aujourd'hui la "matière noire" ou la "matière sombre" (dark matter en anglais), Un terme "mal choisi" selon Richard Taillet, du Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique théorique (LAPTH). "Ce qui pose problème n'est ni noir ni sombre. C'est à la limite transparent, car on ne le voit pas du tout", souligne l'astrophysicien, Le noir absorbe la lumière, on peut donc le détecter par l'absence de lumière à son endroit. La matière noire, elle, n'absorbe rien, n'émet rien, et passe à travers la matière courante sans interagir ou presque. Comment faire alors pour savoir qu'elle est là ? "La quantité de matière noire est calculée par son influence gravitationnelle sur le mouvement vertical des étoiles dans le disque de notre galaxie", explique Sylvia Garbari, responsable de l'étude de Zurich démontrant la présence de matière noire autour du Soleil. Les galaxies, pour accorder leur vitesse avec les lois de la gravitation newtoniennes, doivent cacher de la matière en plus.  
   

Masse et énergie

 
    Matière noire, énergie sombre, quelle différence ? Une différence de nature tout d'abord : la matière noire, c'est de la masse, faite de particules que l'on n'a pas encore trouvées. Alors que l'énergie sombre est, comme son nom l'indique, de l'énergie.  
    Une différence de force, ensuite. La matière noire attire par sa force gravitationnelle. Au contraire, l'énergie noire a une force répulsive, qui permet d'expliquer pourquoi l'Univers est en expansion accélérée. S'il n'y avait que la masse, l'expansion ralentirait progressivement.  
   

 

 
    On sait que cette matière cachée n'est pas de la matière ordinaire, constituée de protons, de neutrons et d'électrons (aussi appelée matière baryonique). Si on sait de quoi elle n'est pas faite, on peine en revanche à savoir ce qui la constitue. Aujourd'hui, les particules qui sont censées la composer sont appelées Wimps ("mauviettes" en français), Cet acronyme de Weakly interacting massive particles (particules massives à interaction faible) désignent d'hypothétiques particules capables de traverser la matière ordinaire sans la voir, sans la télescoper et sur lesquelles seule l'attraction gravitationnelle à grande échelle peut agir. Mais leur nature encore purement théorique laisse la porte ouverte à d'autres solutions... dont certaines, très exotiques, comme la matière miroir.  
   

Désordre dans les amas de galaxies

 
    Ce "désordre" autour de la matière noire ne date pas d'hier. Déjà, lorsque l'astrophysicien américano-suisse Fritz Zwicky observe en 1933 un manque de matière dans les amas de galaxies, ses collègues de l'époque ne s'intéressent pas vraiment à son idée. D'une part à cause de la grande incertitude liée à ses données mais peut-être aussi à cause de son caractère irascible, "Zwicky s'énervait facilement, explique Richard Taillet, Il ne supportait pas que les gens ne comprennent pas des choses qu'il trouvait simples et, selon les témoignages, c'était rude de travailler avec lui. Il serait même l'inventeur de l'insulte crétin sphérique : pour désigner quelqu'un qui serait toujours aussi crétin, quel que soit le point de vue duquel on le regarde." Malgré son caractère bien trempé, Zwicky est le premier à soulever le problème de la matière noire. On sait à l'époque que la vitesse de dispersion des galaxies dans un amas, autrement dit la manière dont les galaxies s'éloignent Les unes des autres, est liée à leur masse, Or, Zwicky observe que les galaxies de l'amas de Coma vont trop vite pour leur masse observable.  
    Mais l'observation s'arrête là. "Il n'y avait pas grand-chose à débattre, commente Richard Taillet. Zwicky avait observé que certains amas sont plus massifs que ce que l'on voit, les gens ont débattu un peu sur les mesures et l'analyse, mais au final, il n'y avait pas grand-chose à dire de plus. Si quelqu'un avait eu une intuition géniale pour trouver la réponse à ce problème, le débat aurait été relancé mais ça n'a pas été le cas."  
   

En chiffres

 
4%   C'est la part de l'Univers dont nous connaissons la nature, qui correspond à la matière ordinaire. Le reste du cosmos se compose de 23% de matière noire et de 73% d'énergie sombre.  
   

 

 
    Quand arrivent les années 1970, l'astrophysique a changé, du point de vue expérimental et théorique, D'anciennes questions sont réexaminées. Surtout qu'un problème similaire à celui de Zwicky est découvert dans les galaxies spirales, à plus petite échelle que les amas de galaxies, L'astronome américaine Vera Rubin observe la vitesse de rotation des galaxies spirales. La théorie de la gravité de Newton prévoit que celle-ci décroît en fonction de la distance au centre. Mais la courbe que trouve Vera Rubin est tout autre : la vitesse des étoiles est pratiquement constante à partir d'une certaine distance. Les étoiles sur le bord extérieur de la galaxie vont trop vite pour les lois newtoniennes. D'autres observations sur différentes galaxies viennent confirmer l'observation de Vera Rubin. Pour résoudre ce mystère, une explication émerge : si la galaxie était entourée d'une matière invisible mais ayant une interaction gravitationnelle, Ainsi, les lois de Newton seraient respectées. À partir de là, il ne restait plus qu'à trouver cette fameuse matière manquante…  
   

Amas de galaxies C'est la première échelle à laquelle l'existence d'une matière noire s'est révélée, par une anomalie des vitesses de dispersion des galaxies d'un même amas.

 
   

Galaxies La rotation des galaxies sur elles-mêmes, comme ici la spirale NGC 7331, montre également des anomalies. Pour les expliquer, il faut faire appel à la présence d'une masse invisible.

 
   

Voie lactée Parmi les étoiles proches du Soleil (ici, un champ stellaire dans la Grande Ourse, avec en amère-plan les galaxies M 81 et Iv! 821, la détection de matière noire est moins évidente et fait l'objet d'un vif débat.

 
   

À la recherche d'astres discrets

 
    Les scientifiques commencent alors à chercher de la matière ordinaire; naines brunes, naines blanches et planètes errantes. Dans les années 1990, deux programmes d'observation s'y consacrent : Macho (pour Massive Compact Halo Objects, ou Objets compacts massifs du halo) et Eros (Expérience pour la recherche d'objets sombres). Mais au bout de quelques années d'observations systématiques de la Voie lactée au télescope, le verdict tombe : étoiles mortes et planètes géantes ne sont pas assez nombreuses pour combler toute la masse manquante de l'Univers. Les chercheurs se rabattent alors sur la une nouvelle forme de matière non baryonique, les fameuses Wimps. C'est tout ce qu'il leur reste pour tenter de résoudre le mystère.  
    Depuis quarante ans "personne n'a jamais trouvé des preuves de la matière noire, revendique Mordehai Milgrom, inventeur de la théorie Mond qui envisage des lois de la gravitation pour expliquer le mouvement anormal des galaxies. Quand les gens annoncent avoir trouvé la preuve de la matière noire, ce n'est pas ce qu'ils veulent dire, du moins s'ils savent de quoi ils parlent, Ce qu'ils trouvent est en fait une 'divergence de masse : à savoir qu'ils trouvent que les vitesses qu'ils mesurent sont trop grandes pour être expliquées par la dynamique standard". Pour Milgrom, la récente découverte des chercheurs de Zurich n'est pas incompatible avec sa théorie Mond, bien au contraire. "La découverte de Garbari est en accord avec la théorie Mond qui prédit une divergence de masse près du Soleil."  
   

Dans les années 1990, des télescopes ont scruté les innombrables étoiles du centre de la Voie lactée en quête de micro-éclipses dues à des astres faiblement lumineux. Verdict : trop peu d'événements ont été vus pour que ces astres constituent la matière noire.

 
    Même si la grande majorité des scientifiques penche plutôt du côté de la théorie de la matière noire, Mond garde des partisans depuis son invention en 1983. Et, a priori, elle ne s'effondrera que si des chercheurs trouvent de la matière noire et pas seulement des indices de sa présence.  
    Un des objectifs actuels de l'astrophysique est donc la recherche de cette matière invisible. Mais où la chercher ? Sur Terre, grâce aux faibles et exceptionnelles interactions que ses particules ont avec la matière ordinaire ? Encore faut-il qu'elle y soit présente, et ce, en quantité suffisante pour pouvoir la détecter. Elle interagit très faiblement avec la matière ordinaire. Il faut donc non seulement des détecteurs très sensibles mais qui soient en plus suffisamment isolés pour ne pas réagir à la moindre particule qui le traverse. Pour cela, certaines équipes installent leur détecteur au fond d'anciennes mines afin d'avoir le moins de bruit de fond parasitaire possible.  
   

Une théorie rebelle : mono

 
    L'hypothèse de la matière noire, bien qu'elle explique l'Univers que nous observons, s'appuie sur des ingrédients qui nous demeurent pour le moment inconnus. C'est dans cette "situation de crise" que Mordehai Milgrom formule en 1983 sa théorie Mond (pour Modified Newton Dynamics). Pour expliquer la trop grande vitesse des étoiles au bord de la galaxie, il propose une modification de la gravitation telle que l'a définie Isaac Newton au XVIIe siècle, En postulant que celle-ci ne s'applique pas de la même manière sur les grandes distances que sur les petites, l'astrophysicien israélien explique les observations faites sans recourir à la matière noire.  
   

 

 
    À plus grande échelle, les études visant à valider ou invalider la présence de matière noire dans le Système solaire peuvent, elles, déterminer la nécessité de rechercher la matière noire sur Terre, au fond des mines ou au sein du LHC, le plus grand accélérateur de particules actuel. En effet, si elle n'est pas présente dans le Système solaire, ou en quantités trop infimes pour pouvoir être détecté, ce n'est pas la peine de chercher les particules qui la constituent autour de nous. Au-delà du débat sur l'existence même de la matière noire, les scientifiques ne sont pas d'accord sur la nécessité de la chercher sur Terre. La mission européenne Gaïa va peut-être mettre fin à cette polémique. Le satellite astrométrique sera lancé l'an prochain depuis le centre spatial guyanais. Il va permettre d'avoir de nouvelles données sur les distances des étoiles. Et ainsi, avoir de meilleures simulations des vitesses des étoiles en fonction de leur place dans les galaxies. Les premiers résultats sont attendus pour 2015. Mais ces nouveaux résultats vont-ils vraiment stopper le débat ?  
   

Hypothèses et expériences

 
    Malgré le manque de preuves, les scientifiques cherchent la matière noire depuis quarante ans. Les partisans de Moud, eux, continuent à défendre leur théorie malgré un manque de soutien de leurs pairs. D'un côté comme de l'autre, ne faut-il pas une part de croyance pour s'accrocher à une hypothèse dont on n'a toujours aucune preuve ? "Ce n'est pas de la croyance, c'est de la science, répond Françoise Combes, de l'observatoire de Paris. Les scientifiques ne croient en rien. Ils font des hypothèses et tentent de faire des expériences pour vérifier ces hypothèses."  
   

Les astronomes ne sont pas d'accord sur la nécessité de traquer la matière noire sur Terre

 
    Pour le théoricien Mordehai Milgrom, il y a effectivement une part de "croyance" dans le débat. "La croyance est fortement influencée par ce que vous voulez qu'il y ait plutôt que sur ce qu'il y a réellement. Et parce qu'il y a des intérêts puissants dans ce débat, je dirais qu'en effet, pour la plupart des gens, leur opinion est fondée sur des "croyances" et non sur des preuves. Je pense que la raison principale du fait que les deux théories (Mond et matière noire) continuent à exister est que les deux paradigmes ont chacun des succès et des problèmes. Les gens donnent chacun des poids différents aux réussites et aux problèmes. Et là aussi, je suppose que la 'croyance' joue un rôle."  
    Comme le note Sylvia Garbari, "un bon scientifique doit toujours mettre en doute les hypothèses, même les plus convaincantes, jusqu'à ce qu'elle soit confirmée et ne jamais croire aveuglément."  
   

Les derniers sondages en quête de matière noire se sont concentrés, à l'intérieur de la Voie lactée, au voisinage du Soleil. Il doit en effet y avoir de la matière noire dans la Galaxie, jusque dans son halo.

 
       
  top Ciel & Espace, no 509 - 2012-10-01