Les grands défis d’aujourd’hui

Selon le Modèle Standard de la cosmologie, la matière noire est un composant essentiel de l’Univers. Elle est caractérisée par :

• Son « invisibilité »: Elle n’émet ni n’absorbe de lumière, ce qui la rend indétectable par les instruments optiques traditionnels.
• Son interaction gravitationnelle: Elle exerce une force gravitationnelle sur la matière ordinaire, mais n’interagit que très faiblement avec elle par les autres forces fondamentales.
• Sa répartition: Elle est distribuée de manière diffuse dans l’Univers, formant des halos autour des galaxies et des amas de galaxies.
• Son dimensionnement: La matière noire représente 85% de la matière totale de l’univers et 27% de son énergie totale.

Les premières indications de l’existence de la matière noire ont été obtenues dans les années 1930 par Fritz Zwicky, qui a étudié la vitesse des galaxies dans l’amas de la Coma. Il a constaté que ces galaxies se déplaçaient à des vitesses tellement élevées qu’elles auraient dû s’échapper de l’amas si la seule masse présente était celle de la matière visible.

Depuis lors, de nombreuses observations ont confirmé l’existence de la matière noire :

• Les courbes de rotation des galaxies: La vitesse de rotation des étoiles dans les galaxies ne diminue pas avec la distance au centre de la galaxie, comme on pourrait s’y attendre si la masse était concentrée dans le bulbe central. Cela suggère la présence d’un halo de matière noire autour de la galaxie. Voir la figure ci-contre qui présente la simulation des vitesses des étoiles de la galaxie spirale NGC 4725 en fonction de leurs distances au centre galactique.
• Les lentilles gravitationnelles: La déviation de la lumière par des amas de galaxies, un phénomène appelé lentille gravitationnelle, permet de mesurer la masse totale de ces amas, y compris la matière noire.
• Les anisotropies du fond diffus cosmologique: Les fluctuations de température observées dans le rayonnement fossile, le rayonnement résiduel du Big Bang, sont en accord avec un modèle cosmologique dans lequel la matière noire joue un rôle important.

Au-delà de ces observations des expériences de détection directe sont également menées, par exemple:

• VERITAS: Situé à l’Observatoire Whipple en Arizona (États-Unis), VERITAS est un réseau de télescopes Cherenkov. Ce projet a pour objet de détecter les rayons gamma de très haute énergie produits par l’annihilation de particules de matière noire dans le halo de notre galaxie.
• EDELWEISS: Ce projet, basé au Laboratoire souterrain de Modane (LSM), utilise des détecteurs à cristaux de germanium pour chercher des interactions entre les particules de matière noire et les noyaux atomiques. Ces détecteurs sont placés profondément sous terre afin de réduire le bruit de fond dû aux rayonnements cosmiques.
• XENON: Les projets successifs XENON sont également des expériences souterraines, mais en utilisant le xénon liquide comme détecteur. L’expérience en cours est XENONnT menée au Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italie.

La vidéo ci-contre « L’univers au-delà du visible » pose la problématique de la matière noire et décrit notamment les expériences EDELWEISS et VERITAS.

Plusieurs candidats ont été proposés pour expliquer la nature de la matière noire :

• Les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): Ce sont des particules massives interagissant faiblement avec la matière ordinaire. Elles sont les candidates les plus populaires.
• Les axions: Ces particules ultralégères pourraient constituer une partie de la matière noire.
• Les particules supersymétriques: Les théories supersymétriques prédisent l’existence de partenaires supersymétriques pour les particules du Modèle Standard, dont certaines pourraient être des candidates à la matière noire (voir la page « Les théories d’unification »).
• Les trous noirs primordiaux: Des trous noirs formés peu après le Big Bang pourraient également constituer une partie de la matière noire.

Le consensus actuel des scientifiques est que la matière noire existe et qu’elle joue un rôle crucial dans la formation et l’évolution des structures cosmiques. Cependant, la nature exacte de la matière noire reste un mystère.

De nombreuses expériences sont en cours pour détecter directement les particules de matière noire, comme les expériences VERITAS, EDELWEISS et XENON. D’autres expériences, comme celles menées au Grand collisionneur de hadrons (LHC), cherchent à produire ces particules dans des collisions de haute énergie.

Les missions spatiales, comme Euclid (voir la page « Les télescopes spatiaux« ), devraient également apporter de nouvelles contraintes sur la nature de la matière noire en étudiant la distribution de la matière dans l’Univers.

Δ  Ψ  Pour aller plus loin…

• « La matière noire : clé de l’Univers ? » de Françoise Combes : Ce livre offre une synthèse claire et accessible des connaissances actuelles sur la matière noire. Françoise Combes explore les différentes preuves de l’existence de cette mystérieuse matière, les candidats théoriques pour expliquer sa nature et les enjeux de sa détection.
• « À la recherche de l’Univers invisible – Matière noire, énergie noire, trous noirs » de David Elbaz : Cet ouvrage aborde de manière plus large les composants invisibles de l’Univers. David Elbaz propose une réflexion sur les défis que pose la compréhension de ces composantes pour la cosmologie.