Africa-Press – Gabon. L’énigme de la matière noire perdure depuis près de quatre décennies. Elle constitue environ 27 % de l’Univers (68 % pour l’énergie noire et 5 % pour la matière classique), mais sa nature reste inconnue. Elle se dérobe sans cesse aux tentatives des astronomes pour la saisir. La matière noire ne rayonne pas, ce qui la rend invisible quel que soit le domaine du spectre électromagnétique (UV, visible, X ) où on la guette. Et elle n’interagit pas, ou presque pas, avec la matière: elle traverse donc sans encombre les détecteurs de toutes sortes. Seuls ses effets gravitationnels elle « pèse » sur la matière classique trahissent sa présence. C’est ainsi qu’elle a surgi dans les travaux de Françoise Combes, astrophysicienne à l’observatoire de Paris et membre de l’Académie des sciences.
« Pour le stabiliser dans nos simulations, nous devions ajouter de la matière noire »
« Au début des années 1980, j’étudiais la dynamique des galaxies. Nous passions alors du calcul analytique aux premières simulations numériques pour décrire leurs formes. Ces simulations à deux dimensions d’espace débouchaient sur des galaxies barrées [les bras spiraux de la galaxie émergent aux extrémités d’une barre d’étoiles]. Cela nous surprenait parce que les calculs décrivaient plutôt des galaxies tout en spirale, sans barre. Lorsque cela a été possible, nous sommes passés à des modélisations à trois dimensions pour voir si les barres subsistaient. Non seulement elles étaient encore là, mais nous avons montré l’existence d’un halo, un bulbe d’étoiles, s’étendant au-dessus et en dessous du disque galactique. Pour le stabiliser dans nos simulations, nous devions ajouter de la matière noire, sinon le disque de la galaxie chauffait trop, ce qui détruisait toute structure. »
Ainsi, la matière noire apparaît indispensable pour rendre compte des observations, comme la forme des galaxies donc, mais aussi la vitesse de rotation des étoiles situées en périphérie, bien plus grande que celle prévue s’il n’y avait que de la matière classique. Initialement, cette matière n’est pas considérée comme exotique, elle est juste invisible. « C’est seulement à partir de 1985 que l’on s’est rendu compte qu’aucune particule du modèle standard ne convenait. Alors on s’est mis à en chercher de nouvelles. »
La chasse aux wimps n’a pour l’instant rien donné
Le principal candidat à l’époque est le wimp (weakly interacting massive particle, particule massive interagissant faiblement), dont on dresse le portrait-robot afin de le découvrir dans les collisionneurs de particules. « Le wimp est une particule neutre, qui est sa propre antiparticule. Donc deux wimps se désintègrent lorsqu’ils se rencontrent. Au début de l’Univers, particule et antiparticule se forment et s’annihilent sans cesse. Mais l’expansion finit par espacer les rencontres. Il y a donc un reliquat de wimps aujourd’hui. Nous avons calculé que pour qu’ils constituent toute la matière noire, il fallait un wimp de 100 fois la masse du proton. »
Au début des années 2000, la chasse aux wimps s’organise au LHC, le grand collisionneur de particules installé au Cern, à Genève. « Les wimps existent depuis les débuts de l’Univers, ils sont donc très stables. Nous pensions pouvoir les voir. » Des énergies de 100 fois la masse du proton ont été atteintes. Et rien. En 2012, le boson de Higgs a été détecté avec une masse de 125 fois celle du proton. Mais pas de wimp. « Et ainsi de suite: nous sommes allés jusqu’à 1000 fois la masse du proton en vain. Aujourd’hui, les physiciens des particules ont renoncé à le trouver. »
Dans leur quête des wimps, d’autres scientifiques avaient d’autres stratégies Par exemple, les expériences Xenon qui ont débuté en 2005 visaient à détecter le recul de noyaux de xénon lorsqu’ils étaient percutés par des wimps. Elles se déroulaient au Laboratoire national de Gran Sasso en Italie. La première expérience utilisait environ 15 kg de xénon liquide. Cela n’a rien donné. La version la plus récente de l’expérience, XENONnT, comprend désormais presque 6 tonnes de xénon, ce qui augmente considérablement le nombre de cibles, et donc la probabilité d’observer un wimp. Les mesures ont débuté en 2021, en vain jusqu’à présent.
La dernière chance de prouver leur existence aurait pu venir des étoiles. « Dans les régions denses de l’Univers, au centre des galaxies, nous avions l’espoir que des wimps se rencontrent et s’annihilent, ce qui aurait produit des flashs de rayons gamma. La masse des wimps nous permettait de calculer l’énergie de ces rayons. Nous les avons cherchés au cœur des galaxies, des galaxies naines, et même dans le Soleil qui après tout aurait pu en contenir. Nous n’avons rien détecté du tout »
Élaborer une nouvelle théorie de la gravité
Absence de preuve directe, absence de preuve indirecte. L’hypothèse des wimps semble avoir fait long feu, ce qui provoque chez les astronomes un certain désarroi. « C’était notre principal candidat. Toutes les autres hypothèses semblent un peu tirées par les cheveux. Il y a l’hypothèse de neutrinos stériles, de masse intermédiaire, dont l’existence est très contrainte. Et aussi les axions, encore une particule hypothétique mais infiniment plus légère que les neutrinos, dont on ne parvient déjà pas à mesurer la masse. Alors, mesurer celles des axions ! Et à part ça, il n’y a rien d’autre. »
Rien d’autre à part « renverser la table », et considérer que la matière noire n’est peut-être qu’une illusion due à une connaissance incomplète de la gravitation. « Cette hypothèse est aussi ancienne que la matière noire exotique. Il s’agit d’élaborer une nouvelle théorie de la gravité, en modifiant les équations de la relativité générale. Albert Einstein s’était placé dans le cas d’un champ gravitationnel fort, comme celui qui règne sur Terre ou dans le Système solaire. Cela permettait de simplifier les équations et de faire des calculs. Mais si l’on se place dans des champs faibles, 11 ordres de grandeur plus faibles que la pesanteur terrestre, cela marche moins bien. Or, on trouve ces champs faibles au bord des galaxies, justement là où l’on a besoin de matière noire pour décrire le comportement des étoiles. »
Aujourd’hui, beaucoup d’astronomes travaillent à élaborer cette gravité modifiée, dans l’espoir de pouvoir se passer enfin de matière noire. « Un satellite comme Euclid, en cartographiant des dizaines de millions de galaxies, devrait nous aider à élaborer cette gravité modifiée qui pourrait expliquer non seulement la matière noire, mais aussi l’énergie noire responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers. Dans cinq ans, nous devrions avoir enfin quelques réponses à nos questions… »
