Qu'est-ce que la matière noire ?

La matière noire est l’une des grandes inconnues de l’astrophysique contemporaine. Elle ne correspond pas à une matière simplement difficile à observer avec un télescope : il s’agit d’une forme hypothétique de matière qui ne produit ni n’absorbe de lumière de manière détectable. Son existence est déduite des effets gravitationnels qu’elle exerce sur la matière visible et sur la lumière elle-même. Les scientifiques n’ont pas encore identifié directement sa nature, mais cette hypothèse permet d’expliquer un vaste ensemble d’observations astronomiques.

Une présence révélée par la gravitation

Les galaxies fournissent l’un des principaux indices en faveur de la matière noire. Dans une galaxie spirale telle que la Voie lactée, les étoiles situées loin du centre se déplacent à des vitesses qui ne s’expliquent pas par la seule quantité de matière visible, composée notamment d’étoiles, de gaz et de poussières. Pour rendre compte de ces mouvements, les modèles prévoient autour de la galaxie un halo beaucoup plus étendu que les régions lumineuses, contenant une masse invisible. La matière noire n’est donc pas observée directement : c’est son influence gravitationnelle qui est mesurée. Un autre indice provient de la lentille gravitationnelle. La masse d’une galaxie ou d’un amas de galaxies peut dévier la lumière provenant d’objets plus lointains ; l’importance de cette déviation révèle souvent davantage de masse que celle que l’on peut voir.

Une composante majeure de l’Univers

Selon le modèle cosmologique actuel, la matière noire représente environ 27 % de la masse et de l’énergie totales de l’Univers, contre environ 5 % pour la matière ordinaire, dite aussi matière baryonique. Elle constitue ainsi une composante bien plus abondante que la matière visible, même si elle n’est pas la composante dominante de l’Univers dans son ensemble : la plus grande part est attribuée à l’énergie sombre. La matière noire joue toutefois un rôle essentiel dans l’organisation du cosmos. Sa gravitation contribue à rassembler la matière et à former les halos dans lesquels les galaxies se développent. Elle participe ainsi à l’apparition des grandes structures observées, comme les galaxies et les amas de galaxies.

Une nature encore inconnue

Le mot matière noire désigne une réalité déduite des observations, mais pas encore une particule ou une substance identifiée. Elle semble ne pas interagir avec la lumière comme la matière ordinaire, ce qui explique son invisibilité aux instruments qui observent le rayonnement électromagnétique. Cela ne signifie pas qu’elle est dépourvue de tout effet : sa gravitation suffit à modifier les mouvements des galaxies et la trajectoire de la lumière. Plusieurs catégories de particules hypothétiques ont été proposées, notamment les WIMPs, des particules massives qui interagiraient très faiblement avec la matière ordinaire. Ces candidats restent toutefois théoriques et aucun n’a été confirmé comme constituant de la matière noire.

Des recherches à plusieurs échelles

La recherche de la matière noire combine observations astronomiques et expériences de laboratoire. Des détecteurs installés notamment sous terre tentent d’enregistrer le très rare choc d’une particule hypothétique avec un noyau atomique. Les accélérateurs de particules recherchent quant à eux des signes indirects, comme un déficit d’énergie et de quantité de mouvement qui pourrait signaler la production de particules invisibles. Les astronomes étudient aussi les mouvements des galaxies, les amas et les effets de lentille gravitationnelle, ainsi que d’éventuels signaux indirects produits par certaines particules candidates. À ce jour, ces observations ont renforcé l’inférence gravitationnelle de la matière noire, sans révéler directement sa composition.