La matière noire est une mystérieuse substance non lumineuse constituant la grande majorité de la matière dans l’univers. Bien que les experts aient observé les effets gravitationnels de la matière noire depuis des décennies, les scientifiques restent perplexes quant à sa véritable nature.

Qui a découvert la matière noire ?

À la fin du 19e siècle, les astronomes ont commencé à spéculer sur une matière invisible – soit des étoiles peu lumineuses, soit du gaz et de la poussière, dispersés dans l’univers. Les chercheurs avaient même commencé à estimer sa masse, selon une revue de 2018 dans la revue Reviews of Modern Physics. La plupart pensaient que cette substance mystérieuse était une composante mineure de la masse totale du cosmos.

Ce n’est qu’en 1933 que l’astronome suisse-américain Fritz Zwicky a remarqué que les galaxies lointaines tournaient les unes autour des autres beaucoup plus rapidement que ce qui devrait être possible compte tenu de leur matière visible vue dans les télescopes. « Si cela était confirmé, nous obtiendrions le résultat surprenant que la matière noire est présente en bien plus grande quantité que la matière lumineuse », écrit-il dans un article publié dans la revue Helvetica Physica Acta cette année-là.

Mais beaucoup dans le domaine sont restés sceptiques quant aux résultats de Zwicky jusqu’aux années 1970, lorsque les astronomes Kent Ford et Vera Rubin ont fait des études détaillées des étoiles dans les régions extérieures de la galaxie voisine d’Andromède. Ces étoiles orbitaient autour du noyau galactique beaucoup trop rapidement, presque comme si un matériau invisible les tiraillait gravitationnellement et les poussait – une observation que les scientifiques ont rapidement remarquée dans toutes les galaxies de l’univers.

Les chercheurs n’avaient aucune idée de la composition de cette masse invisible, certains astronomes supposant que la matière noire était constituée de petits trous noirs ou d’autres objets compacts qui émettaient trop peu de lumière pour être visibles dans les télescopes. Les résultats sont devenus encore plus étranges dans les années 1990, lorsqu’un télescope spatial appelé Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a montré que cette matière noire l’emportait sur la matière visible ordinaire dans une proportion de cinq pour un, selon la NASA.

Pourquoi la matière noire reste un mystère

Les relevés au télescope n’ont jamais pu trouver suffisamment de petits objets compacts pour expliquer cette énorme profusion de matière. La plupart des astronomes actuels pensent que la matière noire est probablement constituée de particules subatomiques dont les propriétés sont plutôt différentes des protons et des neutrons plus familiers.

Le candidat régnant pour la matière noire est appelé particule massive à interaction faible ou WIMP. Ces entités spéculatives ne se trouvent pas dans le modèle standard de la physique des particules, qui décrit presque toutes les particules et les forces. Les WIMP ressembleraient davantage au neutrino fantôme, sauf qu’il pèserait 10 à 100 fois plus qu’un proton. (Les masses exactes des neutrinos sont inconnues mais ils sont beaucoup plus légers que les électrons).

Comme les neutrinos, les WIMPs n’interagiraient qu’avec deux des quatre forces fondamentales de l’univers : La gravité et la force faible nucléaire, qui sert de médiateur à la désintégration des noyaux atomiques radioactifs. Ces particules de matière noire seraient électriquement neutres, ce qui signifie qu’elles n’interagiraient pas avec l’électromagnétisme, la base de la lumière, et resteraient donc invisibles.

Les physiciens ont construit d’énormes détecteurs et les ont placés profondément sous terre pour les protéger des rayons cosmiques parasites dans le but de détecter les WIMPs, mais jusqu’à présent aucune expérience n’a permis d’en découvrir la preuve. Ces dernières années, cet échec a conduit certains acteurs du domaine à commencer à se demander s’ils ne s’étaient pas lancés dans une chasse aux particules sauvages sans véritable fin.

Certains scientifiques tournent donc leur attention vers un candidat plus récent à la matière noire appelé l’axion, qui aurait un millionième ou même un milliardième de la masse d’un électron, rapporte le Proceedings of the National Academy of Science. Ces particules hypothétiques sont particulièrement attrayantes pour les chercheurs car elles pourraient également résoudre un autre problème en suspens en physique, en interagissant potentiellement avec les neutrons pour expliquer pourquoi ils peuvent ressentir des champs magnétiques mais pas des champs électriques.

En juin 2020, les membres de l’expérience XENON1T basée au laboratoire national du Gran Sasso en Italie, un détecteur construit à l’origine pour tenter de capturer des WIMPs, ont annoncé qu’ils avaient trouvé un signal faible mais inattendu qui pourrait s’expliquer par la présence d’axions. Les résultats ont choqué la communauté scientifique, mais doivent encore être confirmés par d’autres expériences.

La matière noire est-elle même réelle ?

Cela signifie que les chercheurs se grattent encore la tête sur ce qu’est exactement la matière noire. Certains théoriciens se sont demandé s’il n’existait pas un secteur sombre entier de l’univers, avec de multiples particules et même des forces obscures qui n’affectent que la matière noire, à l’image de la complexité subatomique observée dans le cosmos visible.

Dans le même temps, une minorité de scientifiques pense que la matière noire est un mirage. Ils souscrivent à une idée connue sous le nom de version modifiée de l’inertie, ou MOND, qui conjecture qu’à grande échelle, la gravité agit différemment que prévu et que cela explique les rotations observées des étoiles et des galaxies. Mais la plupart des experts ne sont pas convaincus de la nécessité de s’écarter aussi radicalement de la physique connue, ce qui nécessiterait également des modifications de notre compréhension de grandes parties de la réalité.

La matière noire n’est, à la connaissance de personne, liée à l’énergie noire, un autre phénomène mystérieux responsable de l’accélération de l’expansion du cosmos. Les deux partagent simplement le mot « sombre », qui est souvent utilisé comme un substitut par les scientifiques pour les choses qu’ils ne comprennent pas entièrement.