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Qu’est-ce que la matière noire ?

matière noire
Crédits : NASA / JPL-Caltech

La matière ordinaire, qui nous compose nous et nos maisons nos maisons, ainsi que nos animaux de compagnie ou plus globalement la Terre, représente moins de 5 % de toute la matière de l’Univers. Surprenant, non ? Une autre forme mystérieuse de la matière domine, et malgré des décennies de recherche, non seulement les astrophysiciens ne l’ont jamais détectée, mais nous ne savons même pas de quoi il s’agit.

La matière noire est l’un des plus grands mystères de l’astrophysique moderne. Nous savons qu’elle existe, mais nous ne connaissons pas encore sa composition. Elle n’interagit pas avec la matière « normale » que nous comprenons et qui émet des rayonnements : elle ne peut donc pas être observée par des télescopes. C’est pourquoi elle est dite « noire », ou « sombre ». Les astrophysiciens estiment que l’Univers contient environ 26,8 % de matière noire, 4,9 % de matière normale (dont vous et moi sommes faits) et 68,3 % d’énergie sombre. Mais concrètement, comment savons-nous que la matière noire existe ?

Si nous ne pouvons pas détecter directement la matière noire, il existe de nombreuses preuves indirectes de son existence. Dans les années 1970, l’astronome Vera Rubin fut la première à faire des mesures offrant une preuve indirecte de l’existence de la matière noire. Elle s’est notamment concentrée sur les vitesses des étoiles orbitant dans les galaxies spirales.

Prenons l’exemple de la Terre et la Lune. Cette dernière évolue autour de notre planète à une certaine vitesse. Si la Lune devait ralentir d’une manière ou d’une autre, l’attraction gravitationnelle de la Terre la ferait tomber vers l’intérieur. Si au contraire elle accélérait, la force associée à son mouvement l’emporterait dans l’espace.

Le même équilibre des forces régit l’orbite de la Terre autour du Soleil, tout comme l’orbite du Soleil et d’autres étoiles autour du centre de notre Galaxie, la Voie lactée. La vitesse à laquelle une étoile doit se déplacer pour rester sur son orbite dépend de la force de gravité qui l’attire vers le centre de sa galaxie – et donc de la masse de cette galaxie.

En suivant le mouvement des étoiles sur les bords des galaxies spirales, Vera Rubin détermina, dans les grandes lignes, la quantité de matière nécessaire dans chaque galaxie pour maintenir ces étoiles dans leurs orbites. En déterminant la quantité de matière « normale » (gaz, poussière et étoiles) connue dans chaque galaxie, elle se rendit très vite compte que les chiffres ne correspondaient pas. Et pour cause, il manquait de la matière. Pour la scientifique, il devait donc y avoir une forme de matière mystérieuse qui ne pouvait être détectée directement, mais qu’il était possible d’observer indirectement grâce à son influence gravitationnelle.

Depuis, les astronomes ont trouvé d’autres formes de preuves indirectes de l’existence de la matière noire. On observa en effet la même chose avec les vitesses des étoiles dans les galaxies non spirales, ou encore avec les mouvements des galaxies dans les amas. En ce qui concerne les galaxies spirales comme la Voie lactée, les astronomes voulaient ensuite savoir où se situait cette matière noire : dans la périphérie de la galaxie ou dans son noyau ? Une récente étude publiée dans la revue Nature, après suivi des mouvements des étoiles dans les parties internes de la Voie lactée, suggère que notre Galaxie intérieure abrite des quantités importantes de matière noire. Mais pas seulement. Notre Soleil, par exemple, trace une orbite circulaire autour du centre de notre Galaxie à mi-chemin entre le centre et le bord de celle-ci. Il se trouve que l’étude confirma également la présence de matière noire le long de cette orbite.

Pourra-t-on finalement un jour détecter cette matière noire ? Il y a diverses théories qui pourraient éventuellement expliquer la matière noire, mais l’une d’elles ressort plus que les autres : l’axion, une particule très légère et électriquement neutre. Les scientifiques de l’expérience Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) de l’Université de Washington (États-Unis) pensent qu’ils sont aujourd’hui prêts à repérer cette particule – qui reste pour le moment hypothétique.

Dans les années 1980, des chercheurs ont en effet imaginé une expérience baptisée ADMX, installée à l’Université de Washington. Il s’agit d’une cuve d’un mètre cube sous vide, refroidie à une température proche du zéro absolu et soumise à un intense champ magnétique. Sa géométrie a été calculée de manière à résonner avec l’axion. ADMX possède une gamme de fréquences qui correspond à des axions dont la masse est comprise entre 0,5 et 40 microélectronvolt (des milliards de fois plus léger que l’électron). En d’autres termes, si la masse de l’axion est bel et bien comprise entre ces deux valeurs, alors les physiciens prouveront son existence. Si l’axion est plus léger – ou plus lourd – l’expérience ne le verra pas.

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