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Matière noire

L’observation des mouvements des astres les plus lointains a mis en évidence de nouvelles questions encore sans réponses: la force de gravitation générée par la matière visible (celle qui constitue les étoiles) ne permet pas à elle seule de rendre compte de ces mouvements!
Il a donc fallu se rendre à l’évidence: il existe une matière noire, sombre et encore indétectée, qui constitue une part majeure de la masse de l’univers.
Et cela ne suffit pas encore: l’application des lois de la relativité établies par Einstein, impose l’existence d’une énergie noire, elle aussi encore mystérieuse, responsable de l’accélération observée de l’expansion de l’Univers.

Qu’est-ce que la matière noire?

Nous savons que l’Univers est né voici 13,8 milliards d’années, comme vient de le confirmer le satellite cosmologique Planck. Il est possible d’observer les reliques des particules et ondes primordiales résultant des premiers instants de l’Univers, qui forment ce que l'on appelle le fond diffus cosmologique. Elles sont les témoins de l’histoire de notre Univers et permettent de remonter le temps en étudiant comment se sont formées les structures visibles aujourd'hui.
Si, avec le modèle du Big Bang, nous nous sommes forgé une représentation de l’histoire de l’Univers, nous en sommes encore à nous interroger sur la répartition et l’évolution de la matière à toutes les échelles.
Les modèles d’Univers dont nous disposons, et que nous pouvons comparer aux observations réalisées par les télescopes les plus performants, montrent que l’essentiel de l’Univers reste invisible à nos yeux avec la matière et l’énergie noires, nécessaires à la construction de notre modèle cosmologique.
Il existe ainsi de la matière en dehors des étoiles, une matière qui ne brille pas, et que les cosmologistes cherchent encore à décrire: la matière noire (ou matière sombre).
Diverses mesures indiquent que cette matière n'est pas formée d'atomes tels que ceux qui composent la matière que nous connaissons: si tel était le cas, cette matière noire serait bien plus lumineuse. Les galaxies contiennent ainsi en quantité considérable cette forme de matière, inconnue en laboratoire, dont on estime la masse totale à cinq fois celle de la matière visible.

Et l’énergie noire?

L'énergie noire, ou énergie sombre, influe sur l'expansion de l'Univers, sans participer directement à la formation des galaxies, amas de galaxies ou grandes structures observables: il n'y a pas de surdensités d'énergie noire comme il peut y avoir des surdensités de matière ordinaire.
Sa présence permet d’expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers qui a été mise en évidence par les programmes d’observation les plus récents.
Elle apparaît théoriquement sous la forme de constante cosmologique dans les équations d’Einstein établies en 1917.

Pourra-t-on un jour observer cet Univers obscur?

La question de la matière noire, et de notre compréhension de l'évolution de l’Univers à grande échelle, constitue l’une des questions clefs de la science contemporaine. Ce domaine est au croisement de l’astrophysique et de la physique des particules. On parle de cosmologie, et on qualifie souvent de cosmologistes les chercheurs qui se spécialisent dans ce domaine.
En région Île-de-France, de nombreux chercheurs dont ceux du Laboratoire Univers et Théories (LUTh), se mobilisent sur ces sujets, en particulier:
- des observateurs qui imaginent des expériences spatiales de grande ampleur: le satellite Planck tout récemment, et bientôt Euclid; ou qui analysent les grands relevés du ciel profond réalisés par des télescopes au sol, comme le CFHT (Télescope Canada France Hawaii) au sommet du Mauna Kea, dans l’archipel d’Hawaii;
- des modélisateurs qui développent de puissants programmes de simulation de l’évolution de l’Univers sur les plus gros calculateurs européens; on peut citer par exemple la première modélisation de la structuration de tout l’Univers observable du Big Bang jusqu’à aujourd’hui, réalisée en 2012 dans le cadre du projet DEUS (Dark Universe Energy Simulation);
- des théoriciens qui interrogent l'universalité des lois de la physique et imaginent comment ces lois ont pu donner naissance à l’univers que nous connaissons, ou à d’autres univers exotiques que nous ne connaîtrons jamais.

Comment pèse-t-on la matière noire?

La matière noire, cachotière mais un peu balourde, ne peut pas être mise en évidence par la lumière qu'elle émettrait. Les cosmologistes rusent donc en cherchant des manifestations de sa masse. Si toutes les grandes structures de l'Univers, galaxies, groupes et autres amas de galaxies, semblent dominées par la matière noire, il a bien fallu en estimer leur poids par des observations indirectes.
La méthode la plus connue consiste à mesurer la vitesse de rotation des étoiles autour du centre d’une galaxie. C’est une méthode dynamique qui suggère que plus on s’éloigne du centre de la galaxie plus cette dernière semble contenir de la masse, encore une fois, non visible pour l’essentiel.
L´autre méthode, qui sera largement mise en œuvre avec le satellite Euclid, consiste à mesurer les effets de distorsion des rayons lumineux qui nous viennent des galaxies lointaines au passage d´un objet massif plus proche. Ce fléchissement de la trajectoire des rayons lumineux donne une forme allongée aux sources lointaines. En mesurant leur degré d´élongation et la direction privilégiée que peut prendre cette distorsion dans une certaine zone du ciel, les observateurs sont capables de cartographier la matière noire... comme si on la voyait!