Lorsque vous regardez le ciel par une nuit claire et sans nuages, vous voyez des milliers d'étoiles brillantes scintiller dans la noirceur de l'espace. Si vous avez un télescope, vous pouvez également observer des planètes, des nébuleuses colorées et même des galaxies lointaines. En voyant ce spectacle incroyable, vous pourriez penser que vous regardez l'univers entier. Mais la vérité est bien plus étrange. Tout ce que nous voyons, connaissons et dont nous sommes faits (y compris les étoiles, les planètes, les arbres, le corps humain et même le smartphone dans votre main), ne représente qu'environ 5 % du contenu total de l'univers.

Alors, de quoi est fait le reste de l'univers ? Les cosmologistes pensent qu'environ 27 % de l'univers est constitué d'une substance mystérieuse, invisible et inconnue appelée « Matière Noire » (Dark Matter) (les 68 % restants appartiennent à un phénomène encore plus étrange appelé « Énergie Sombre », qui est responsable de l'expansion accélérée de l'univers). La matière noire n'interagit ni avec la lumière ni avec la matière ordinaire, mais sans elle, l'univers tel que nous le connaissons aujourd'hui ne se serait jamais formé.

Le carrousel galactique et une étrange découverte Pour comprendre comment les scientifiques ont réalisé l'existence de quelque chose qui ne peut pas du tout être vu, il faut remonter aux années 1970. Une éminente astronome nommée Vera Rubin étudiait la rotation des galaxies spirales (similaires à notre propre Voie Lactée).

Les lois de la physique newtonienne que nous connaissons sur Terre dictent que plus vous vous éloignez du centre d'un système en rotation (comme le système solaire), plus la vitesse de rotation des objets devrait être lente. Par exemple, la planète Mercure, qui est proche du soleil, tourne à une vitesse très élevée, tandis que la lointaine planète Neptune a un mouvement beaucoup plus lent. Vera Rubin s'attendait à voir la même loi dans les galaxies : les étoiles situées sur les bords extérieurs de la galaxie devraient tourner beaucoup plus lentement que les étoiles proches du centre de la galaxie.

Mais ce qu'elle a observé a choqué le monde de la physique. Les étoiles aux confins de la galaxie tournaient à la même vitesse vertigineuse que les étoiles centrales. À une telle vitesse, la force gravitationnelle issue de la matière visible (étoiles et gaz à l'intérieur de la galaxie) n'était pas suffisante pour maintenir ces étoiles ensemble. Les galaxies auraient dû se disloquer comme un carrousel tournant trop vite, projetant leurs étoiles dans l'espace infini. Mais cela ne s'est pas produit. Quelque chose d'invisible, avec sa force d'attraction gravitationnelle immensément puissante, maintenait ces galaxies ensemble. Ce « ciment invisible » est ce que nous appelons aujourd'hui la Matière Noire.

Qu'est-ce que la Matière Noire N'EST PAS ? Parfois, pour comprendre un grand mystère, il vaut mieux d'abord dire ce que cette chose n'est pas. Grâce à des décennies de recherche, les scientifiques ont rayé de nombreuses options de la liste :

Si elle est invisible, comment savons-nous qu'elle existe ? Vous pourriez vous demander, alors que nous ne pouvons rien voir avec aucun télescope (optique, infrarouge, rayons X ou radio), pourquoi les scientifiques sont-ils si sûrs de son existence ? La réponse réside dans le chef-d'œuvre d'Albert Einstein, la « Théorie de la Relativité Générale ».

Einstein a prouvé que la masse peut courber l'espace-temps. Lorsque la lumière passe près d'un objet très massif, sa trajectoire est courbée. Ce phénomène s'appelle « lentille gravitationnelle ». Lors de l'observation d'amas de galaxies lointains, les astronomes ont remarqué que la lumière des galaxies situées derrière ces amas était gravement courbée, étirée et déformée (comme si vous regardiez votre environnement à travers un verre d'eau).

En calculant l'ampleur de cette courbure, les scientifiques ont pu calculer exactement quelle quantité de masse doit exister dans cet amas de galaxies pour créer une lentille aussi puissante. Le résultat fut stupéfiant ! La masse réelle de l'amas de galaxies était des dizaines de fois supérieure à la masse calculée à partir de ses étoiles et de ses gaz lumineux. Cette masse colossale et invisible est la « Matière Noire ».

L'importance de la Matière Noire ne se limite pas à maintenir les galaxies ensemble ; la matière noire a en réalité façonné l'architecture de l'univers tout entier. Peu de temps après le Big Bang, le cosmos était une soupe de particules très chaude et relativement uniforme. Mais au sein de cette uniformité, il y avait de petites fluctuations quantiques. C'est là que la matière noire a joué le rôle de héros. Comme la matière noire n'interagissait pas avec la lumière et le rayonnement intense de cette époque, elle a pu se condenser beaucoup plus tôt que la matière ordinaire.

Grâce à sa gravité, la matière noire a formé des amas massifs qui ont agi comme un échafaudage ou un squelette pour l'univers. Cet échafaudage a créé un réseau massif appelé la « Toile Cosmique » (Cosmic Web). Ensuite, la gravité de ces squelettes invisibles a attiré la matière ordinaire (gaz d'hydrogène et d'hélium) vers eux. Ces gaz se sont condensés, se sont réchauffés et ont donné naissance aux premières étoiles et, finalement, aux galaxies. Si la matière noire n'existait pas, notre univers aujourd'hui ne serait qu'un espace rempli de gaz fin et dispersé, et il n'y aurait ni étoiles, ni planètes, ni humains.

Des particules que la science n'a pas encore trouvées. Si la matière noire existe, de quelle particule est-elle faite ? Les physiciens des particules ont proposé plusieurs candidats potentiels pour cela, dont deux ont les meilleures chances :

Bien sûr, un petit groupe de scientifiques pense également qu'il n'y a peut-être aucune nouvelle particule du tout. Ils proposent une théorie appelée MOND (Dynamique Newtonienne Modifiée), qui dit que peut-être, à de très grandes échelles galactiques, les lois de la gravité de Newton et d'Einstein doivent être modifiées et corrigées. Cependant, à ce jour, la théorie MOND n'a pas été en mesure d'expliquer tous les phénomènes cosmiques (en particulier le modèle du fond diffus cosmologique) aussi bien que la théorie de la matière noire.

Vous pourriez vous demander, à quoi nous sert-il sur Terre de comprendre une substance qui est invisible et située dans des galaxies lointaines ? Et pourquoi ce sujet est-il important pour l'humanité ?

Gardez à l'esprit que la science a toujours cherché à découvrir la vérité. Cent ans avant l'écriture de cet article, lorsque les scientifiques découvraient la structure de l'atome et la mécanique quantique, personne n'imaginait que ces recherches mèneraient un jour à l'invention des transistors, des ordinateurs, d'Internet et des smartphones. La matière noire est le plus grand mystère scientifique du 21e siècle. La découverte de la nature de cette substance nécessitera très probablement la formulation de lois de la physique entièrement nouvelles ; des lois qui pourraient changer notre compréhension de la réalité de l'existence et peut-être, dans un avenir lointain, apporter des technologies qu'aujourd'hui nous ne pouvons même pas imaginer dans les histoires de science-fiction.

La matière noire nous rappelle à quel point notre univers est mystérieux et vaste et que nous n'en sommes qu'au début de la compréhension de notre maison cosmique. Nous tournons autour d'une étoile ordinaire sur une petite planète rocheuse et nous venons de réaliser que 95 % de la pièce de théâtre de l'existence est jouée par des acteurs dont nous n'avons pas encore vu les visages.