Matière et énergie noires
  Fascinante face obscure du cosmos


C’est le plus troublant des paradoxes. Une entêtante énigme : plus de 95% du contenu du cosmos manque à l’appel ! La matière ordinaire incarnerait moins de 5%. À coté, près de 25% se composerait d’une matière sombre exotique… Et contre toute attente, l’expansion ne s’essouffle pas. Elle s’accélère. Les astrophysiciens invoquent ici une "énergie noire" répulsive du vide. Elle compte pour les 70% restants. Cette sorte d’antigravité serait le moteur de l’expansion. Matière et énergie noires forgent le destin de l’Univers.

Le mystère de la matière noire
L’affaire a commencé il y a près de 70 ans : les recensements, les observations précises, menées avec les instruments sensibles à tous les rayonnements, ne rendent compte que d’une infime proportion du contenu en matière et en énergie de l’Univers. Où se cache le reste ? Comment se fait-il que la matière ordinaire - qui compose notre chair, ainsi que le Soleil et ses planètes - compte pour si peu ? Quelle leçon d’humilité et de modestie. Quatre siècles après Galilée, nous réalisons encore que ni notre civilisation, ni notre planète, ni notre étoile n’occupent une position privilégiée dans le vaste cosmos ! En fait, l’essentiel de la masse et de l’énergie se présenterait sous des formes inconnues sur Terre. Comme les fiers navigateurs qui partaient explorer les océans à la Renaissance, les scientifiques modernes découvrent que le monde immense dépasse – de loin – leur entendement.

En savoir plus :
La composition de l'Univers


Fritz Zwicky et les amas
Flash-back. En 1933, l’astrophysicien suisso-américain Fritz Zwicky scrute l’amas de Coma dans la constellation de la Chevelure de Bérénice à 300 millions d’années-lumière de distance. Celui-ci se compose d’un millier de galaxies comme notre Voie lactée. Il a atteint un équilibre. Le mouvement résiduel des objets sur leur orbite compense la force d’attraction vers le centre, due à la gravité. Détail troublant : "l’irascible Zwicky relève un fait incroyable", relate Gabriel Chardin du CEA, "la vitesse de déplacement des galaxies suggère qu’il y a là cent fois plus de matière que ce que l’on voit". La partie émergée de l’iceberg, en somme. En filigrane, le constat se dessine : les étoiles brillantes ainsi que les nuages de gaz et de poussière liés aux galaxies ne sont que de vulgaires débris. Ils flottent à la surface d’un imposant océan - sombre et invisible - qui les ballotte.

Vera Rubin et les galaxies
Un peu plus tard, dans les années 60-70, d’autres observateurs et théoriciens -  l’Américaine Vera Rubin en tête - s’emparent du problème. L’expansion de l’Univers était alors confirmée. On s’intéresse au mouvement des étoiles à l’intérieur des galaxies. Surprise : "la vitesse de rotation des étoiles ne s’atténue pas à mesure que l’on s’éloigne du cœur de l’astre". En fait, elle semble même étrangement constante en fonction de la distance. La conclusion balbutiante, mais implacable, sera que : "les galaxies contiennent cinq à dix fois plus de matière noire que de matière visible. En outre, cette masse cachée s’étend assez loin dans un halo périphérique. Elle se condense peu."

Le souffle du Big Bang
En parallèle, de nouveaux moyens d’investigation sont mis sur pied. L’un d’eux a trait au scénario de formation des éléments chimiques légers dans le Big Bang primordial. Une seconde après la formation de l’Univers, l’énergie des particules avait atteint un million d’électronvolts. Les protons et les neutrons, constituants des futurs noyaux, étaient nés. Seulement, le neutron s’avère instable. Il se désintègre en environ un quart d’heure. Pour survivre, il devra être capturé et stabilisé en trois minutes au sein de noyaux d’hélium – élément le plus léger après l’hydrogène. Du coup, l’abondance de l’hydrogène (73%) et de l’hélium (25%) apporte une forte contrainte sur la densité du cosmos. Ce point a été popularisé, en France, par les astrophysiciens Hubert Reeves et Jean Audouze. Le fond diffus du ciel, lui, sera mesuré par les satellites Cobe en 1992 et Wmap en 2002. Les paramètres de la densité de l’Univers sont désormais connus avec une précision de 2%.

Gaz chaud et mirages
"Depuis dix ans, on assiste à une amélioration fulgurante de la qualité et de la quantité de données", constatent les scientifiques. "D’une part, l’observation de la rotation des galaxies a confirmé la présence d’un halo de matière noire dix fois plus massif que les étoiles. D’autre part, les amas renferment un gaz chaud porté à des millions de degrés. Les mesures en rayons X des satellites Chandra (Nasa) et XMM (Europe) pointent vers une quantité de matière noire cent fois plus importante que la matière visible… Enfin, un autre outil a fait ses preuves dernièrement. Les lentilles gravitationnelles, ces mirages naturels prédits par la relativité, procurent un puissant moyen de sonder la géométrie de l’Univers."

Exit, les Machos…
Cette méthode consiste à surveiller les effets de microlentilles gravitationnelles, petits clignotements sur le tapis d’étoiles brillantes du Grand nuage de Magellan, à 170 000 années-lumière de la Terre. Avec la recherche de nuages d’hydrogène froid, elle a apporté un diagnostic surprenant quant à la matière noire galactique. Celle-ci ne se forme pas à partir d’atomes classiques – la matière "baryonique", noyaux (protons et neutrons) entourés d’électrons. Non ! Les objets compacts en question – trous noirs, étoiles à neutrons, naines blanches, étoiles avortées de type naines brunes, objets de la taille de Jupiter – ont peu à peu été éliminés par l’observation. Ces Machos (Massive Halo Compact Objects) comptent pour moins de 10% de la matière totale qui hante notre Galaxie.

…vive les Mauviettes
Dès lors, de quoi se composent les 95% du cosmos qui ne correspondent à aucun noyau atomique ni particule connue ? Nul ne le sait. Mais des idées se dessinent. Les physiciens pensent à un candidat pour la matière sombre : tout droit issu du monde de la supersymétrie, ce jalon des nouvelles théories de supercordes qui unifient l'ensemble des forces de la nature. Son interaction avec la matière ordinaire est très faible. On baptise ‘Mauviettes’ ou Wimps (Weakly Interacting Massive Particles) ce type de matière noire exotique.

En savoir plus :
La fausse piste de la matière ordinaire (expérience Eros)


L’énergie noire se révèle
Mais une autre composante de l’Univers, beaucoup plus surprenante encore, est apparue en 1998 avec les programmes de surveillance d’explosion d’étoiles (supernovae) qui surviennent dans des galaxies externes et lointaines. Petit à petit, ces relevés ont décelé un phénomène inattendu : loin de ralentir, sous l’influence de la gravité et des masses, l’expansion cosmique semble s’accélérer. De quoi bousculer la moindre vision d’écolier qui a sagement appris que la force de Newton est attractive. Contestée au départ, l’observation est devenue de plus en plus solide et fiable. Elle est confortée par la comparaison avec les résultats du satellite Wmap sur les fluctuations du rayonnement primordial. L’information se résume ainsi : l’Univers contiendrait 4,5% de matière ordinaire (baryonique) telle que les atomes de notre chair. La quantité de matière totale, 28 ou 30%, est dominée par une étrange substance exotique et sombre. Dont la nature reste inconnue. Enfin, 70 à 72% du cosmos correspond à une composante répulsive - l’énergie noire - au cœur de multiples interprétations. En bref, la matière noire dessine lentement de gigantesques grumeaux. Les galaxies, amas et superamas s’y condensent. L’énergie noire, elle, "constante cosmologique", "énergie du vide", "quintessence" ou "antigravité", - se caractérise surtout par notre béante ignorance à son égard. Cette énergie pure emplirait l’espace sans jamais s’agréger. Et elle donne un joli coup de fouet à l’expansion.

Zoom : Particules exotiques et supersymétrie

Zoom : Edelweiss sur les traces de la matière noire

Zoom : L’énergie noire accélère l’expansion

Zoom : Les mirages cosmiques pistent la matière noire



Pour aller plus loin…

Il manque 85% de l'Univers - vidéo - interview de Françoise Combes, Observatoire de Paris

270 millions d'années-lumière : la plus grande structure de matière noire jamais observée
Communiqué de presse CNRS / INSU du 21 février 2008

Première carte tridimensionnelle de la distribution de la matière noire dasn l'Univers
Communiqué de presse CNRS du 8 janvier 2007

Energie noire ou constante cosmologique
Communiqué de presse CNRS / CEA du 22 novembre 2005

On a retrouvé la matière noire dans les galaxies elliptiques !
Communiqué de presse CNRS / INSU du 28 septembre 2005

Des amas de galaxies sèment le doute sur l'existence de l'énergie noire
Communiqué de presse CNRS du 3 mai 2005

La matière noire d'un amas de galaxies lointain cartographiée par le télescope spatial Hubble
Communiqué de presse CNRS / Université Paul Sabatier / Caltech du 17 juillet 2003

Edelweiss : traquer les Wimps pour retrouver la piste de la matière noire
Communiqué de presse CNRS / CEA du 31 mai 2002