On a soupçonné l’existence de la matière noire dès les années 1930, à l’occasion de mesures de vitesses de galaxies regroupées au sein d’amas. Les calculs effectués par l’astronome suisse Fritz Zwicky faisaient ressortir que si l’on ne retenait que la masse visible des galaxies, celles-ci auraient dû se détacher les unes des autres compte tenu de leurs vitesses propres élevées1. Or, elles restent groupées et les amas sont stables. L’explication la plus plausible est l’existence d’une masse invisible qui les maintient par la gravitation, mais qui « manque » dans le bilan lumineux. Les mesures ultérieures ont démontré qu’il devait y avoir au moins dix fois plus de matière noire que de matière lumineuse dans les amas de galaxies2.
Une seconde preuve indirecte est venue de l’étude des vitesses de rotation des galaxies spirales. Celles-ci sont des systèmes aplatis de gaz et d’étoiles qui tournent sur eux-mêmes, les vitesses de rotation devant normalement être plus élevées près du centre qu’au bord. Or, à la fin des années 1960, l’astronome américaine Vera Rubin et ses collaborateurs ont constaté que la vitesse de rotation cessait de décroître à partir d’une certaine distance au centre3, puis restait à peu près constante très loin, jusque dans les régions où l’on n’observe quasiment plus d’étoiles. Cela implique la présence de matière noire bien au-delà des limites du disque galactique, peut-être répartie dans un halo étendu, concentrique à celui dans lequel se répartissent les amas globulaires d’étoiles.
Depuis, un grand nombre d’autres observations sont venues consolider l’hypothèse de la matière noire, au point qu’elle est aujourd’hui un ingrédient omniprésent en astronomie et en cosmologie. Sa présence est rendue nécessaire dans les modèles de formation des galaxies4, afin de permettre la condensation des premières structures sur une durée aussi courte que celle qui est constatée. L’étude des mirages gravitationnels permet quant à elle de retracer la distribution de matière visible et invisible présente dans les objets – galaxies ou amas de galaxies – faisant office de lentille5, et là encore, au moins dix fois plus de matière noire que de matière lumineuse sont nécessaires pour rendre compte des observations. Enfin, l’explication du spectre des anisotropies du fond diffus cosmologique, c’est-à-dire la distribution des irrégularités de température dans le premier rayonnement émis par l’Univers alors qu’il n’était âgé que de 380 000 ans, exige une part importante de matière noire dans la composition initiale du cosmos6.
Les derniers recensements, combinant un ensemble d’observations de natures différentes, nous conduisent à estimer assez précisément cette part7. La matière lumineuse, à savoir les quelque mille milliards de galaxies contenant chacune des centaines de milliard d’étoiles, ne représente actuellement que 0,5 % de la substance totale de l’univers observable. 68 % de la composition sont dus à une forme d’énergie non matérielle et antigravitante, « l’énergie sombre ». Restent 32 % pour la matière sous toutes ses formes qui nous occupe ici, et sur ces 32 %, 95 % sont invisibles aux télescopes.
Trouver la nature de cette matière noire est donc l’un des casse-têtes de l’astrophysique moderne, d’autant qu’elle est loin d’être distribuée de manière uniforme. C’est ainsi que la galaxie Dragonfly 44 découverte en 2015, dont la masse est comparable à celle de la Voie Lactée, semble composée de 99,99 % de matière noire8. A l’inverse, la galaxie NGC1052-DF2, découverte en mars 2018 et située dans notre voisinage à 65 millions d’années-lumière, serait totalement dépourvue de matière noire9.
De nombreuses hypothèses ont été formulées quant à la nature de la matière noire. La première qui vient à l’esprit consiste logiquement à dire que la matière noire est uniquement composée de tous les corps célestes trop peu lumineux pour être observés avec nos instruments. Une partie viendrait de la poussière interstellaire et de grands nuages d’hydrogène moléculaire froids. Une autre partie proviendrait d’étoiles sombres réparties dans les halos des galaxies, couramment désignées sous le nom de MACHOS (Massive Compact Halo Objects). Elles comprennent les vestiges refroidis d’étoiles mortes que sont les naines noires, les étoiles à neutrons et les trous noirs, ainsi que les naines brunes, petites étoiles trop peu massives pour briller par allumage de réactions nucléaires en leur centre. Au-dessus d’un millième de masse solaire, les MACHOS sont suffisamment massifs pour faire office de microlentilles gravitationnelles. On peut utiliser cet effet pour obtenir une borne supérieure à leur présence dans le halo des galaxies. Les nombreuses observations accumulées depuis plus de vingt ans, comme EROS (Expérience de Recherche d’Objets Sombres) ou OGLE, ont conclu que moins de 8 % de la masse noire du halo galactique pouvait être sous forme de MACHOS10.
Quoiqu’il en soit, qu’il s’agisse de poussières interstellaires, de nuages d’hydrogène froid ou de MACHOS, tous ces corps célestes sont constitués des particules bien connues qui forment les atomes : protons et neutrons, collectivement appelés baryons (la masse des électrons est trop petite pour jouer un rôle). Or, il existe une contrainte d’un tout autre ordre sur la densité maximale de cette matière baryonique dans notre univers. L’un des grands succès des modèles de Big Bang a été d’expliquer les abondances observées des éléments chimiques légers (deutérium, hélium et lithium) qui ont été produits lors d’une brève phase de « nucléosynthèse primordiale », datant des trois premières minutes de l’Univers. Leurs proportions donnent la valeur de la densité de protons et de neutrons dans le jeune cosmos. Par la loi d’expansion, cette dernière fournit la densité actuelle de matière baryonique, visible et noire, en excellent accord avec les observations. La nucléosynthèse primordiale fournit donc une forte contrainte sur la densité de matière baryonique actuelle11 : elle ne peut pas dépasser 5 %. Par rapport aux 32 % de matière noire sous toutes ses formes mentionnés plus haut, il manque encore 27 %.
Deux options se présentent alors. Dans l’une, on abandonne l’idée même de matière noire, en considérant que les astronomes se sont complètement trompés dans leurs analyses et qu’il faut plutôt modifier la loi d’attraction universelle de Newton. J’y reviendrai en fin d’article. L’autre option vient, non pas de l’astronomie, mais de la physique des particules, avec l’introduction de la matière noire non baryonique.
La physique des particules à la rescousse
Cette approche est bien plus prometteuse, dans la mesure où plusieurs indices observationnels récents montrent qu’en dehors de la force gravitationnelle, la matière noire semble interagir très peu, voire pas du tout, avec la matière atomique. La majeure partie serait donc de nature différente, c’est-à-dire non-baryonique, son énergie produisant toutefois des effets gravitationnels analogues à ceux de la masse.
Ces particules se classent en trois catégories : les chaudes, les tièdes et les froides.
- La matière noire chaude (HDM, pour Hot Dark Matter) ne fait pas précisément référence à une température, mais plutôt au fait que les particules qui la constituent sont légères et animées de vitesses proches de celle de la lumière. On pense bien évidemment aux trois espèces de neutrinos présentes dans le modèle standard de la physique des particules. Quasiment insaisissables car interagissant très peu avec le champ électromagnétique, elles n’en sont pas moins détectées expérimentalement. On sait même qu’il y a en moyenne 400 neutrinos par centimètre cube d’espace (un peu plus que de photons, les particules de lumière). Il suffirait donc que les neutrinos aient une masse infime pour rendre compte de la totalité de la matière noire de l’Univers12. Le premier article de cosmologie que j’ai publié en 1981 portait justement sur la possibilité que les neutrinos, au sujet desquels on ne savait pas encore grand-chose, aient une masse suffisante pour « fermer » l’univers, c’est-à-dire, lui conférer une densité supérieure à la densité critique13. Les mesures ultérieures de la masse des neutrinos, commencées en 1998 au détecteur japonais Super-Kamiokande et actuellement poursuivies dans l’expérience Katrine (pour Karlsruhe Tritium neutrino Experiment) n’ont cessé de réduire sa valeur14 : certes non nulle, elle ne dépasse pas 10–34 grammes (un milliardième de la masse du proton). La contribution de ces poids plumes à la densité d’énergie totale de l’Univers est donc négligeable, tout en étant quand même du même ordre (0,5 %) que celle de la matière lumineuse.
- La matière sombre tiède (WDM pour Warm Dark Matter) serait constituée d’une espèce encore inconnue de particule, le neutrino stérile15. Par opposition aux neutrinos « actifs » du modèle standard, ces neutrinos sont qualifiés de stériles car ils n’interagissent pas avec les interactions électromagnétique, faibles et fortes, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter. Ils interagiraient cependant via la gravité du fait de leur masse, et si celle-ci est suffisante, pourraient rendre compte de la matière noire. Le chercheur qui a fourni les premiers outils pour les comprendre est le physicien italien Ettore Majorana, l’une des grandes figures de la physique du XXe siècle. Majorana a disparu en 1938 dans des circonstances mystérieuses alors qu’il n’avait pas encore 32 ans. Comme Isaac Newton jadis, il n’aimait pas rendre publiques ses idées, de sorte que l’importance de son travail est restée incomprise pendant des décennies. L’existence théorique du neutrino stérile découle d’une anomalie constatée dans « l’hélicité » des neutrinos ordinaires. Toutes les particules du modèle standard possèdent un moment cinétique intrinsèque appelé spin, un peu comme s’il s’agissait de minuscules toupies dont l’axe de rotation serait parallèle à leur vecteur vitesse. Selon que la rotation se fait dans un sens ou un autre, l’hélicité est dite gauche ou droite. Or, tandis que les autres particules (leptons et quarks) du modèle standard peuvent être aussi bien gauches que droites, on n’a jamais observé de neutrinos droits. Par ailleurs le modèle standard minimal est faux, car il prédit que les neutrinos ordinaires auraient une masse au repos strictement nulle. La découverte expérimentale de leurs oscillations en 1998 a forcé les physiciens à les doter de masses. C’est pour rendre compte de ces masses et de ces oscillations que les neutrinos stériles ont été introduits, dans le prolongement d’hypothèses faites jadis par Majorana16. Les modèles qui les font intervenir présentent plusieurs avantages ; ils permettent par exemple de construire un scénario expliquant la prédominance de la matière sur l’antimatière (processus appelé baryogénèse) ; mais surtout, il suffirait que les neutrinos stériles – produits en grande quantité au tout début de l’histoire de l’univers – aient une masse supérieure à 10–29 grammes (ce qui est permis par la théorie) pour offrir de bons candidats au titre de particules de matière noire. De nombreuses expériences sont consacrées à la mise en évidence expérimentale des neutrinos stériles, mais leurs résultats sont contradictoires. Ainsi, en 2016, les chercheurs de l’IceCube Neutrino Observatory situé en Antarctique n’ont trouvé aucune preuve de l’existence des neutrinos stériles17, mais en 2018 ceux de la collaboration MiniBooNE ont révélé une oscillation de neutrinos beaucoup plus forte que prévu, un indice en leur faveur18.
- La matière noire froide (CDM, pour Cold Dark Matter) serait composée de particules plus massives et plus lentes, dites « exotiques » car prédites uniquement par des théories de physique des hautes énergies au-delà du modèle standard. Les deux principaux candidats sont les axions et les neutralinos.
L’axion est une particule hypothétique supposée stable19, électriquement neutre et extrêmement légère (sa masse devrait se situer entre 10–39 et 10–36 grammes), inventée par les théoriciens pour expliquer la symétrie charge-parité (CP) dans l’interaction forte. Son nom est dû à Frank Wilczek (prix Nobel de physique 2004), qui lui attribua celui d’une marque de détergent, considérant que le problème qui entachait la chromodynamique quantique (théorie de l’interaction forte), à savoir la violation de la symétrie CP, avait été « nettoyé ». La théorie suggère que le Big Bang aurait créé une telle multitude d’axions qu’ils pourraient expliquer tout ou partie de la matière noire manquante20.
L’axion n’interagissant que très faiblement avec la matière, il est très difficile à détecter. De nombreuses expériences, comme CAST au CERN et ADMX aux États-Unis, ont tenté de le mettre en évidence, sans aucun succès21.
Le neutralino est, quant à lui, une particule tout aussi hypothétique que l’axion, prédite par la théorie de supersymétrie (en abrégé SUSY)22. Selon cette théorie censée unifier les trois interactions fondamentales du modèle standard (électromagnétisme, interactions nucléaires forte et faible), toutes les particules fondamentales connues auraient des contreparties supersymétriques plus lourdes, appelées « sparticules ».
SUSY a de nombreux sectateurs parce que, si elle est exacte, outre l’unification à très haute énergie des forces fondamentales, elle permettrait de résoudre plusieurs énigmes de la physique. Elle donnerait notamment sens à une particularité du boson de Higgs–Englert, la particule cherchée depuis si longtemps et enfin découverte au CERN en 2012. Le boson de Higgs–Englert interagit avec beaucoup d’autres particules. Additionnées, ces interactions lui donnent sa masse. Or le calcul de cette masse en théorie quantique des champs donne une valeur 1025 plus grande que sa valeur réelle. Les hypothétiques sparticules de SUSY annulent les contributions de leurs partenaires réels, ce qui supprime le désaccord.
SUSY offre aussi la possibilité d’expliquer la matière noire non baryonique par le biais du neutralino23. Il s’agit d’une combinaison électriquement neutre de trois superpartenaires : le photino (partenaire supersymétrique du photon), le zino (partenaire du boson Z0) et le higgsino (partenaire du boson de Higgs). Le neutralino ne peut se former qu’à très haute énergie, par exemple lors du Big Bang. Comme il est supposé stable, il serait abondant. Et surtout, sa masse étant cent fois supérieure à celle du proton (soit 10–22 grammes), il pourrait constituer l’essentiel de la matière noire de l’Univers. A ce titre le neutralino fait l’objet de recherches acharnées.
La chasse aux WIMPS
La détection des neutralinos peut être soit directe, par interaction dans un détecteur ou création artificielle dans un accélérateur de particules, soit indirecte, via la recherche de leurs produits de désintégration ou d’annihilation (photons, neutrinos, positrons, antiprotons).
La recherche directe se heurte à une propriété caractéristique du neutralino, à savoir d’être insensible à l’interaction électromagnétique, par conséquent de n’interagir quasiment pas avec la matière atomique. Il appartient donc à cette vaste famille de particules appelées WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles) qui, à l’instar des neutrinos ordinaires, peuvent traverser nos corps par milliards à chaque seconde, mais dont nous ne pouvons ressentir l’existence.
Malgré la très faible probabilité d’interaction, avec un détecteur assez grand et beaucoup de patience, il devrait être possible de voir un WIMP percuter une particule de matière baryonique ordinaire. Plusieurs équipes dans le monde améliorent sans cesse leurs instruments, le plus souvent souterrains. Les nombreuses expériences, comme EDELWEISS en France, XENON en Italie, LUX aux États-Unis ou encore PandaX en Chine, n’ont rien détecté, ce qui a permis de poser des contraintes si fortes que l’existence réelle des WIMPS exotiques est vraiment mise en difficulté.
Au lieu d’essayer de détecter les WIMPS venus du ciel, on peut envisager de les produire artificiellement avec des collisions de faisceaux de particules effectuées dans les accélérateurs. La quête se poursuit activement avec le puissant Large Hadron Collider (LHC) du CERN24.
A cet égard une anecdote vaut le détour. En 1994, au cours d’un dîner bien arrosé à l’école d’été de physique théorique d’Erice, en Sicile, les deux physiciens Kenneth Lane et David Gross font un pari sur la théorie SUSY. A l’époque, aucune « sparticule » prédite n’a bien sûr été détectée, mais les plans du futur LHC sont dessinés. Lane propose que, si la nouvelle machine prouve la théorie, il offrira un repas chez Girardet, restaurant Suisse situé à Lausanne et considéré comme l’un des meilleurs du monde. Sinon, la facture sera pour Gross. Les termes du pari, écrits sur une nappe, stipulent que celui-ci sera payable dès lors que le LHC aura produit suffisamment de collisions à haute énergie pour être certain du résultat, à savoir révéler la première sparticule. Le nombre minimum de collisions nécessaire est évalué à 5 quadrillions25.
Un quart de siècle plus tard, le restaurant Girardet n’existe plus. En revanche le LHC est en parfaite santé. Depuis 2010, il a collecté plus de 15 quadrillions de données sans montrer aucun signe de la moindre sparticule, alors que la gamme d’énergie atteinte aurait dû le permettre. Lane dit qu’il est temps pour Gross – qui entre temps a obtenu le prix Nobel de physique 2004 – de payer, si ce n’est chez Girardet, du moins dans un autre restaurant huppé de même calibre. David Gross est en effet amateur de bonne chère, comme j’ai pu le constater lors d’un dîner partagé avec lui dans un fameux restaurant galicien lors d’une conférence commune donnée à Madrid en 2015 !
Aux dernières nouvelles, Lane n’aurait reçu aucune réponse à plusieurs e-mails de rappel et s’impatienterait. Si le LHC ne trouve toujours pas trace de sparticules dans les données, peut-être serait-il temps de passer à autre chose ? Ce n’est plus de la science, cela devient pathétique ! De son coté, Gross n’est pas près de le concéder. Les données sont là, mais leur analyse n’est pas terminée. D’ailleurs, strictement parlant, la théorie SUSY ne pourra jamais être totalement infirmée. Elle contient tellement de paramètres libres qu’elle pourra toujours être ajustée de façon à ce que ses sparticules n’apparaissent qu’à des énergies hors d’atteinte des collisionneurs de particules. Mais plus on ajuste des paramètres arbitraires, plus l’élégance de la théorie qui faisait son attrait en prend un coup.
Bref, il y a de plus en plus d’indications que, bien que SUSY soit une belle créature théorique, elle soit aussi purement fantasmatique…
Et l’antimatière ?
Il reste malgré tout l’espoir de détecter indirectement des WIMPS via l’antimatière. Mot magique et généralement incompris ! Il ne se passe pas une conférence publique que je donne sur la cosmologie et la matière noire sans que l’on me pose la question : « et l’antimatière dans tout ça ? ». Il est vrai que je n’en parle presque jamais car je pense qu’elle ne joue strictement aucun rôle dans cette affaire. Mais c’est l’occasion de rappeler qu’en théorie, chaque particule de matière ordinaire possède son antiparticule : l’antiélectron est appelé positron, on connaît les antiquarks, l’antiproton, etc. L’antimatière est constituée uniquement de ces antiparticules. Par exemple, l’antihydrogène est composé d’un positron en orbite autour d’un antiproton. Une particule et son antiparticule ont la même masse, mais elles diffèrent par des charges électriques opposées : ainsi un positron est chargé positivement, tandis que l’électron a la même charge élémentaire négative.
La propriété fondamentale de l’antimatière (c’est de là que vient son nom) est que, lorsqu’elle entre en contact avec de la matière, les deux s’annihilent mutuellement et sont intégralement converties en énergie radiative, suivant l’équation E = mc2. Inversement, lorsque de la masse est créée à partir d’énergie, comme c’est le cas dans les accélérateurs de particules, elle se répartit de manière égale entre couples de particules et antiparticules. De l’antihydrogène a ainsi été produit artificiellement pour la première fois au CERN en 1996. Très récemment et toujours au CERN, la collaboration Alpha est parvenue à confiner pendant plusieurs heures un millier d’antihydrogènes en utilisant un piège magnétique.
Or, très peu de temps après le Big Bang, l’Univers était un plasma si chaud qu’il s’est comporté comme une sorte de gigantesque accélérateur de particules naturel. A ce compte-là, son énergie aurait dû engendrer autant de matière que d’antimatière sous forme de couples de particules et antiparticules massives. Mais c’est loin d’être le cas : dans l’univers actuel il semble qu’il y ait en moyenne une seule antiparticule pour un milliard de particules – en conséquence de quoi il n’y aurait pas d’étoiles ou de galaxies faites d’antimatière26.
Plusieurs modèles de physique des hautes énergies ont été bâtis pour tenter d’expliquer cette forte asymétrie matière-antimatière (on a vu que le neutrino stérile était l’un d’entre eux). Aucun n’étant pour l’heure totalement convaincant, des physiciens comme Gabriel Chardin27 ou, dans un registre différent, Jean-Pierre Petit28, n’hésitent pas à remettre en cause l’asymétrie matière-antimatière ou à attribuer à cette dernière une masse gravitationnelle négative, donc répulsive. Cela résoudrait d’un coup la double énigme de la matière noire et de l’énergie sombre. Hypothèse certes très invraisemblable, mais qui a le mérite d’être aisément testée en laboratoire : l’expérience Alpha susmentionnée va tenter de déterminer ce qui se passe exactement quand on « lâche » dans un champ gravitationnel les antiatomes qu’elle a produits artificiellement, pour voir comment ils réagissent29. Un résultat contraire aux théories standard serait révolutionnaire, mais on n’y croit guère. Très probablement, l’antimatière ne contribue en rien à la densité de matière noire.
Malgré tout, les chasseurs de matière noire s’intéressent de près aux maigres flux de positrons et d’antiprotons observés dans certains rayons cosmiques, ces particules de haute énergie qui circulent dans le milieu interstellaire. Positrons et antiprotons sont généralement produits par des sources astrophysiques classiques comme les pulsars, mais ils pourraient aussi provenir de la désintégration des particules exotiques de la matière noire. L’instrument AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), installé depuis 2011 à bord de la Station Spatiale Internationale, est considéré comme l’équivalent du télescope spatial Hubble pour les rayons cosmiques. Plusieurs milliards d'antiparticules ont été détectées par AMS, mais aucune anomalie dans leur flux n’a permis de révéler leur origine30. La traque indirecte des insaisissables WIMPS va donc se poursuivre jusqu’en 2024, date où la Station Spatiale Internationale devrait cesser de fonctionner.
Le bilan
Il est temps de récapituler les trois grandes catégories de théories pour expliquer la matière noire non baryonique, puis d’en évaluer les forces et les faiblesses.
- La matière noire chaude (HDM), c’est-à-dire relativiste, est constituée des trois types connus de neutrinos ou de WIMPS chauds et massifs.
- La matière noire tiède (WDM), semi-relativiste, est représentée par les neutrinos stériles.
- La matière noire froide (CDM), non relativiste, est composée d’axions et/ou de neutralinos.
A défaut de la mise en évidence expérimentale de tel ou tel type de particule qui permettrait de trancher (toutes les candidates sont des WIMPS), on peut tenter de distinguer les théories en comparant les prédictions qu’elles impliquent dans l’histoire de l’Univers, plus particulièrement dans la formation des grandes structures comme les galaxies, les amas et les superamas de galaxies, avec les observations astronomiques.
Pour ce qui est de la théorie HDM, nous avons vu que la contribution des neutrinos ordinaires à la densité d’énergie est négligeable, compte tenu de leur très faible masse-énergie. Ils ne rendent donc pas compte de la matière noire non baryonique. Il peut néanmoins exister d’autres WIMPS chaudes et massives qui ne sont pas des neutrinos, mais leur nombre est contraint par la formation des galaxies31. Ces particules à grande vitesse ralentiraient en effet le processus de formation des galaxies, en ayant tendance à fragmenter les vastes agglomérats de matière. Les simulations numériques indiquent que si la matière noire chaude dominait, les objets de la taille des superamas de galaxies se formeraient en premier dans l’histoire de l’Univers, pour se fragmenter ensuite en masses plus petites comme les amas et les galaxies32. Or ceci est en conflit avec les observations des grands télescopes au sol et dans l’espace, qui indiquent au contraire que les étoiles, puis les galaxies ont dû se former tôt, moins d’un milliard d’années après le Big Bang, pour s’agglomérer ensuite en amas et en superamas33. Le scénario HDM est donc vraisemblablement éliminé.
Pour la théorie WDM faisant intervenir les neutrinos stériles, les simulations numériques rendent correctement compte de la distribution des structures à l’échelle supergalactique.
Dans la théorie CDM, les WIMPS froides auraient émergé du Big Bang à des vitesses notablement inférieures à celle de la lumière. Ces particules se seraient agrégées en masses galactiques plus rapidement que la matière chaude, de sorte que les galaxies se seraient formées avant les amas – scénario privilégié par les observations, je l’ai dit plus haut. Les simulations numériques CDM rendent également bien compte de la structuration à l’échelle supergalactique. L’hypothèse CDM a, par conséquent, longtemps paru la plus plausible et, en ajoutant une bonne dose d’énergie sombre, elle a donné naissance au modèle standard LambdaCDM de la cosmologie. Cependant, nous avons vu qu’aucune particule de ce type n’avait été découverte, pas plus d’ailleurs que les WIMPS chaudes ou les neutrinos stériles.
Si les modèles HDM sont éliminés de la course par les observations, les théories WDM et CDM expliquent toutes deux correctement la formation des structures à l’échelle supergalactique et ne peuvent être distinguées par ce biais34.
Pour mieux les mettre à l’épreuve, il faut effectuer des simulations numériques à l’échelle subgalactique, que l’on compare ensuite au comptage observationnel des galaxies naines en orbite autour des grosses galaxies. Elles sont compatibles avec l’hypothèse CDM et n’éliminent que certains modèles WDM.
Comment alors distinguer CDM et les modèles WDM restants ? Sans entrer dans les détails, je mentionnerai :
- la formation des « dark halos »35 (halos de matière noire) qui enveloppent les disques galactiques et s’étendent bien au-delà des limites visibles des galaxies,
- le cisaillement gravitationnel36, nom donné au phénomène de distorsion des images des galaxies lointaines par des concentrations de masse d’avant-plan,
- les courants stellaires (tidal stellar streams)37, associations d’étoiles gravitant autour d’une galaxie, provenant d’une ancienne galaxie naine déchirée et allongée le long de son orbite par les forces de marée.
Les recherches se poursuivent. Pour l’heure, sur toutes les échelles supérieures à quelques millions d’années-lumière, le modèle CDM ne peut être distingué du modèle WDM. Mais en dessous, à l’échelle des microlentilles gravitationnelles, les deux font des prédictions différentes. S’il s’avérait que les résultats futurs éliminent la théorie pure CDM, il ne resterait que les neutrinos stériles pour expliquer la matière noire non baryonique, ou alors un mélange de diverses formes de matière sombre, qui après tout ne sont pas forcément exclusives l’une de l’autre. Du coup…
Et si l’on modifiait la gravité ?
Devant tant d’énigmes non résolues, des chercheurs contestent l’idée même de matière noire et préfèrent imaginer une modification des lois de la gravité. La théorie MOND (MOdified Newtonian Dynamics) a été initialement proposée en 1983 par le physicien israélien Mordehai Milgrom38. Elle suppose que la deuxième loi de Newton (la somme des forces qui s’applique sur un système est égale au produit de la masse et de l’accélération) n'est plus valable et doit être corrigée lorsque les accélérations sont très faibles, en deçà d’un certain seuil plusieurs ordres de grandeur inférieur à la pesanteur terrestre. Un tel régime serait effectivement en vigueur dans les parties les plus externes des galaxies spirales, et cette gravité modifiée expliquerait le profil de vitesses stellaires mesuré par Vera Rubin et ses collaborateurs sans avoir besoin de recourir à la matière noire.
La théorie de gravité modifiée n’est pas dénuée de problèmes et a elle-même été maintes fois modifiée (incluant notamment une version relativiste qui n’était pas présente à l’origine) pour s’adapter aux observations qui s’accumulent et la contredisent. Si elle fonctionne bien à l’échelle des galaxies grâce à un certain paramètre d’ajustement, elle rencontre des difficultés à des échelles plus vastes qui exigent un paramètre d’ajustement différent. MOND ne permet pas de reproduire la dynamique des amas de galaxies sans y ajouter une composante de matière noire. Et il en va de même pour expliquer le spectre des anisotropies du fond diffus cosmologique, les lentilles gravitationnelles et la formation des très grandes structures39.
De fait elle tient de moins en moins bien la route à mesure que les observations s’affinent. Par exemple, l’absence totale de matière noire dans la galaxie ultra-diffuse NGC1052-DF2 va à l’encontre de la théorie MOND, car sa signature gravitationnelle devrait être présente dans toutes les galaxies. Itou avec les galaxies « super-spirales » beaucoup plus grosses que notre Voie Lactée, formatrices d’étoiles les plus massives connues. Une équipe internationale d’astronomes a récemment mesuré la vitesse de rotation de 23 spécimens de ces super-spirales et trouvé des rotations très rapides impliquant la présence d’une grande quantité de matière noire, ce qui invalide la nécessité d’une gravité modifiée40.
Malgré tout, de nombreux chercheurs continuent à vouloir « sauver la MOND ». Partant du constat que MOND fonctionne mieux à l’échelle des galaxies et la matière noire aux plus grandes échelles, des physiciens ont proposé diverses approches pour concilier ces théories concurrentes. L’une d’elles a été développée en 2014 par Justin Khoury, de l’université de Pennsylvanie : la matière noire superfluide41. Les superfluides sont des liquides dont la viscosité devient nulle une fois refroidis à des températures assez basses, 2 Kelvins (–271 °C) pour l’hélium 4 par exemple. Ces liquides ont donc deux comportements différents, idée que Khoury a appliqué à la matière noire. Dans son modèle, la matière noire est superfluide dans les galaxies, mais à l’échelle des amas de galaxies, elle est trop chaude et perd ses propriétés superfluides, si bien qu'elle retrouve le comportement de la matière noire classique. D’autres physiciens avaient déjà avancé l’idée d’une matière noire superfluide, mais le modèle de Khoury a l’avantage de reproduire parfaitement les prédictions de MOND dans les galaxies sans avoir à modifier la gravité. Dans le Système solaire, la force gravitationnelle est plus intense qu'en moyenne dans la Galaxie, de sorte que la matière noire n’est pas superfluide et on ne doit donc pas avoir de déviation aux lois newtoniennes, en accord avec les observations.
A ce propos il est bon de rappeler que dans la première décennie du XXIe siècle, on a beaucoup glosé autour d’une apparente anomalie d’accélération affectant les sondes spatiales Pioneer 10 et 11 durant leur transit dans le Système solaire transneptunien42. Cette anomalie, en l’occurrence une très faible décélération, fut mesurée entre 1979 et 2002 et a naturellement suscité de nombreuses études et spéculations. Ce fut notamment l’occasion rêvée pour les partisans de la théorie MOND d’y voir une preuve de la modification de la loi de Newton dans les champs gravitationnels faibles. En 2011, le mystère a été éclairci par plusieurs équipes43 : l’origine de la déviation observée résultait de la pression du rayonnement infrarouge émis par le générateur thermoélectrique à radio-isotope (RTG), nom compliqué donné au petit générateur électrique nucléaire embarqué sur les sondes pour s’affranchir des panneaux solaires devenus inactifs à grande distance du Soleil. Rien à voir donc, avec la gravité modifiée ou la matière noire !
Pour ma part je n’ai d’ailleurs jamais aimé l’idée de gravité newtonienne modifiée, peut-être parce que je garde en mémoire cette magnifique anagramme (en français) de « la gravitation universelle » : loi vitale régnant sur la vie44 !
Une autre manière d’éviter le recours aux hypothétiques particules de matière noire consiste à reconsidérer la gravité non plus comme une interaction fondamentale, mais comme un phénomène émergent de bits quantiques d’information fondamentaux encodés dans la structure intime de l’espace-temps. Dans les modèles de gravité entropique récemment développés par Erik Verlinde, la matière noire ne serait alors qu’une illusion résultant de la dynamique qui lie l’énergie sombre et la matière baryonique ordinaire45. Cette théorie encore en construction s’est avérée capable de reproduire les courbes de rotation des galaxies spirales46, la prochaine étape consiste à construire une théorie capable de décrire l’évolution de l’univers primordial.
