La matière noire : la masse manquante de l'univers, nommée en 1906

Dans le modèle Lambda-CDM que les cosmologistes utilisent actuellement pour décrire l'univers, la matière ordinaire — les atomes qui composent les étoiles, les planètes et les êtres humains — ne représente que 5 % de tout ce qui existe. La matière noire, une forme de masse que personne n'a jamais détectée directement, en représente 26,8 %, soit plus de cinq fois plus, le reste, 68,2 %, étant constitué d'énergie noire, un autre mystère que cet article n'aborde qu'en passant.

Personne n'a isolé une particule de matière noire, ne l'a photographiée, ni n'a expliqué exactement de quoi elle est faite. Ce qui a convaincu les scientifiques de son existence, c'est près d'un siècle d'indices indirects : des galaxies qui tournent plus vite qu'elles ne le devraient, des amas de galaxies porteurs de bien plus de gravité que ce que peut fournir leur matière visible, et de la lumière qui se courbe autour d'amas de masse qui n'émettent eux-mêmes aucune lumière. Cet article passe en revue l'origine de chacun de ces indices, dans l'ordre où les astronomes les ont réellement découverts.

Le terme lui-même est plus ancien que la plupart des preuves qui l'accompagnent. En 1906, le mathématicien et physicien français Henri Poincaré employa l'expression matière obscure — littéralement « matière noire » — en évoquant une estimation antérieure de Lord Kelvin, qui avait suggéré que bon nombre des innombrables étoiles proches du Soleil pourraient être des corps sombres, non lumineux, plutôt que des astres brillants. L'essai de Poincaré parut des décennies avant les mesures d'amas de Fritz Zwicky ou les études galactiques de Vera Rubin : les astronomes disposaient d'un mot pour ce mystère bien avant d'en avoir la preuve.

Les premières données solides viennent de Vesto Slipher, qui pointa un télescope vers la galaxie d'Andromède en 1914 et réalisa ce qui fut les premières mesures liées à ce que les astronomes appellent aujourd'hui une courbe de rotation galactique — la façon dont la vitesse orbitale évolue avec la distance au centre d'une galaxie.

Slipher constata quelque chose d'étrange : les étoiles d'un côté du bulbe central d'Andromède s'approchaient de la Terre à environ 320 kilomètres par seconde, tandis que celles du côté opposé se déplaçaient à seulement environ 280 kilomètres par seconde. Ce décalage ne constituait pas à lui seul une preuve de matière noire, mais c'était un premier signe que les galaxies spirales ne tournent pas aussi simplement qu'un système solaire, et cela posa une question qui prendrait des décennies à résoudre correctement.

Fritz Zwicky poussa l'énigme plus loin en 1933. L'astrophysicien suisse, qui travaillait au Caltech, étudia un amas de galaxies et tenta de le peser de deux façons différentes : d'abord en additionnant la lumière émise par les galaxies qui le composent, puis en mesurant la vitesse de déplacement de ces galaxies les unes par rapport aux autres sous l'effet de la gravité de l'amas. Les deux résultats ne correspondaient pas.

L'estimation de Zwicky fondée sur les vitesses aboutit à une masse environ 400 fois supérieure à ce que les galaxies visibles pouvaient expliquer — un écart bien trop important pour s'expliquer par les seules étoiles et le seul gaz ordinaires. Il en conclut que la majeure partie de la matière gravitationnelle de l'amas devait être une matière sombre, invisible, une idée qui dut attendre de meilleurs instruments avant que le reste de l'astronomie ne s'en saisisse vraiment.

Vera Rubin se heurta à un obstacle avant même de s'attaquer à l'énigme de la rotation des galaxies : obtenir simplement du temps de télescope. Alors qu'elle travaillait à la Carnegie Institution, elle demanda en 1965 du temps d'observation à l'observatoire du Mont Palomar, devenant la première femme astronome autorisée à y observer.

Elle eut l'occasion de trancher la question plus vaste une décennie plus tard. En collaboration avec l'astronome Kent Ford, Rubin présenta ses résultats à l'American Astronomical Society en 1975 : dans les galaxies spirales, les étoiles proches du bord se déplacent à une vitesse proche de celle des étoiles plus proches du centre, quelle que soit leur distance — ce qui signifie que la masse de la galaxie continue d'augmenter bien après l'endroit où les étoiles visibles s'arrêtent. C'est exactement le type de masse supplémentaire et invisible que Zwicky avait déduit des amas de galaxies, désormais mesurée directement à l'intérieur de galaxies individuelles.

La gravité a un autre effet utile : elle courbe la lumière. La matière noire ne peut pas être photographiée directement, mais une recherche publiée dans Nature identifie les lentilles gravitationnelles comme le moyen le plus efficace de la détecter : la lumière des galaxies lointaines se courbe en traversant des concentrations de masse situées en avant-plan. Comme cet effet ne dépend que de la gravité, il détecte aussi bien la matière noire que la matière ordinaire, ce qui en fait l'un des rares outils capables de repérer où se trouve réellement toute la masse de l'univers.

Cette technique a permis de produire des cartes de masse détaillées. Une équipe internationale a analysé des images couvrant cinq portions du ciel — une surface totale équivalente à environ 2200 pleines lunes placées côte à côte — contenant environ 15 millions de galaxies, en suivant la façon dont la gravité de la toile cosmique courbait leur lumière. Séparément, une équipe utilisant le relevé Cosmic Evolution Survey (COSMOS) du télescope spatial Hubble, le plus grand relevé de l'univers jamais réalisé par le télescope, impliquant 70 astronomes dirigés par Nick Scoville du Caltech, a construit une carte tridimensionnelle de la distribution de la matière noire en utilisant le même principe de lentille gravitationnelle.

Les deux approches ne sont pas non plus toujours en accord avec d'autres méthodes. L'équipe du relevé à grand champ a constaté que sa propre estimation du regroupement de la matière à travers le cosmos était bien inférieure au chiffre calculé à partir des observations du satellite Planck — un écart que les scientifiques travaillent encore à résoudre.

La matière noire a également laissé des empreintes dans la plus ancienne lumière de l'univers. Le fond diffus cosmologique — la lumière libérée quand l'univers avait environ 375 000 ans — porte de minuscules différences de température qui témoignent du fait que la matière, y compris la matière noire, commençait déjà à s'agglomérer à ce stade précoce.

Le satellite Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA a détecté pour la première fois ces minuscules variations de température à travers le ciel en 1992, et des missions ultérieures ont affiné cette image. La propre chronologie de la NASA situe cet instantané dans un univers qui évolue depuis 13,77 milliards d'années, un délai suffisant pour que la gravité transforme les petites fluctuations de l'univers primordial en galaxies, amas et toile cosmique que les astronomes cartographient aujourd'hui.

Tous les astrophysiciens ne sont pas convaincus que la matière noire soit la bonne réponse. Depuis des décennies, les chercheurs mesurent dans l'espace une attraction gravitationnelle plus forte que ce que la matière visible ou connue peut expliquer, et la solution habituelle a consisté à supposer qu'une masse invisible comble cet écart. Une minorité soutient au contraire que le vrai problème vient de la loi de la gravité elle-même : les galaxies semblent enfreindre des règles remontant aux travaux d'Isaac Newton à la fin des années 1600, ce qui a maintenu en vie la dynamique newtonienne modifiée, ou MOND, comme explication rivale.

Parallèlement, la recherche directe d'une particule de matière noire continue. Fin 2025, le détecteur de matière noire LZ a exclu les interactions WIMP avec des sections efficaces supérieures à 9 GeV/c2 comme explication possible, tout en signalant la première détection confirmée de neutrinos solaires du bore-8 par un processus connexe appelé diffusion cohérente élastique neutrino-noyau. Quelle que soit l'explication qui l'emportera finalement, la quête de la masse manquante de l'univers est encore bien loin d'être terminée.

• Une prédiction unique de la « gravité modifiée » remet en question la matière noire | ScienceDaily
• La matière noire pourrait être plus lisse que prévu | ESO
• Aperçu de WMAP - NASA Science
• ESA - Première carte 3D de l'échafaudage de matière noire de l'Univers
• Les cartes de matière noire révèlent l'échafaudage cosmique | Nature
• Wikipédia : Matière noire
• Wikipédia : Vera Rubin
• Wikipédia : Courbe de rotation galactique