C'est quoi la matière noire ?

Pendant des siècles, dans l’univers tout allait bien. Les règles expliquant la gravité et le mouvement des astres fonctionnaient à merveille. Et puis, au milieu du XXe siècle, tout bascule. Plusieurs astronomes se rendent compte que les étoiles ne tournent pas rond. C’est notamment le constat d’une astronome américaine, Vera Rubin. Dans les années 1970, elle se rend compte que, dans les galaxies, certaines étoiles tournent beaucoup trop vite. 

Pour tenter de résoudre cette incohérence, on émet l’hypothèse qu’il pourrait exister une matière invisible dans l’univers. Une matière qui expliquerait les anomalies gravitationnelles observées par Vera Rubin et ses confrères. Elle est baptisée matière noire. 

Notre série documentaire « Chercheuses d’étoiles » vous raconte chaque semaine de grandes découvertes astronomiques faites par des femmes. Ces femmes, souvent méconnues du grand public, ont permis de grandes avancées pour la compréhension des mystères de l’Univers. Les épisodes de la série sortiront chaque samedi du mois d’août, à 14 heures.
 

Qu'est-ce que la matière noire et l'énergie noire ?

La matière, tout le monde voit ce que c'est. Elle est constituée d'atomes de différentes natures qui, assemblés entre eux, composent tous les éléments solides, liquides, gazeux ou plasmatiques qui constituent l'Univers. Ces éléments, visibles ou invisibles à nos yeux par les rayonnements qu'ils émettent, ont une masse qu'il est possible de calculer, et qui exerce une force d'attraction gravitationnelle autour d'elle. Une force infime à l'échelle d'un objet, importante quand cette masse est celle d'une planète ou d'une étoile, colossale lorsqu'il s'agit d'un trou noir. Et c'est justement par le calcul de masse et d'attraction gravitationnelle que les astrophysiciens se sont aperçus de la présence d'une "anomalie".
À l'origine de la matière noire, une proposition de l'astronome Fritz Zwicky
Une observation étrange réalisée en 1933 par l'astronome suisse Fritz Zwicky qui avait braqué son télescope vers un amas de galaxies dans l'espoir d'observer des explosions de supernovae. Ce dernier avait alors eu la surprise de constater que les galaxies se déplaçaient à une vitesse de plus d'un million de km/h. Une vitesse si spectaculaire qu'elle devrait théoriquement éjecter les galaxies de l'amas qui les contient si l'on prend en compte la force d'attraction exercée par la matière visible des régions centrales. Pourtant, elles y demeurent en place. Comment expliquer ce paradoxe ? Fritz Zwicky propose une explication simple : pour expliquer cette attraction gravitationnelle plus importante capable de maintenir les galaxies proches les unes des autres, il doit donc y avoir une masse de matière "cachée" plus importante que celle que l'on peut observer avec nos instruments. Il avance alors le terme de "matière noire" pour décrire cet élément mystérieux. En 1970, l'astronome américaine Vera Rubin confirme cette observation et la précise. D'après ses calculs, il manquerait jusqu'à dix fois la masse visible pour retenir ces galaxies.

Mais depuis, les astrophysiciens cherchent, en vain pour le moment, à détecter cette mystérieuse matière noire sous toutes les formes possibles et d'en déterminer la nature.

Le point commun entre matière noire et énergie noire ? La couleur qu'on leur prête !
Et l'énergie noire là-dedans ? S'agit-il de la même chose ? De l'attraction gravitationnelle exercée par la matière noire ? Pas du tout. Le seul point commun entre matière noire et énergie noire est que ce terme "noire" dont le sens est voisin. Quelque chose d'invisible dans le noir de l'espace par nos télescopes, et qui exerce une force dont on peut constater les effets sans en trouver la source et en connaître la véritable nature. Si la matière noire a été invoquée pour expliquer le fait que des galaxies demeurent proches les unes des autres, l'énergie noire est elle invoquée pour expliquer le fait que l'Univers soit en expansion.

En effet, depuis les observations de l'astrophysicien américain Edwin Hubble, dans les années 1930, on sait que les étoiles et les galaxies s'éloignent petit à petit les unes des autres, signe que notre Univers se dilate comme un ballon que l'on gonflerait. Or, si l'on suppose que la force principale qui s'exerce sur les astres massifs (planètes, étoiles, trou noirs...) est la gravitation, cette expansion de l'Univers devrait se ralentir petit à petit sous son effet. En effet, la gravitation est une force attractive ayant pour effet de rapprocher les masses les unes des autres et non de les éloigner. Pourtant... vers la fin des années 1990, les astrophysiciens constatent en réalité que l'expansion de l'Univers ne se fait pas à vitesse constante... elle s'accélère ! Une découverte récompensée d'un prix Nobel en 2011 (S. Perlmutter, B. Schmidt et A. Riess). Là encore, les astrophysiciens ne parvenant pas à expliquer cet état de fait, ont imaginé la présence d'une "énergie noire" qui contrebalance les effets de l'attraction gravitationnelle, voire qui les inverse. Une énergie "dont on ne connaît pour l'instant pas grand chose" reconnaît l'astrophysicien Roland Lehoucq.

Quelle est leur proportion réciproque dans l'Univers ? Seuls des calculs théoriques permettent de répondre à cette question. Les chiffres avancés actuellement estiment que l'énergie noire représente les 2/3 de notre Univers tandis que la matière noire n'en représenterait qu'un peu plus de 25%. "La conséquence des travaux des astrophysiciens du 20e siècle est que 95% du contenu énergétique et massif de l'Univers se présente sous une forme qu'ils déclarent 'noire' et qui en fait est incompréhensible pour l'instant" conclut Roland Lehoucq.