"Il y a 4 éléments en faveur de l'existence de matière noire"

Françoise Combes est astrophysicienne à l'Obersvatoire de Paris. © F.Combes

Quelles preuves a-t-on de l'existence de la matière noire ?
Françoise Combes : Dans l'Univers, il y a un problème dit 'de masse manquante'. Il y a 4 éléments en faveur de l'existence de matière noire :
- La cinématique des galaxies et des amas. A petite échelle, 100 mille années lumière, la rotation des galaxies se fait à une vitesse beaucoup trop grande par rapport à la quantité de matière visible. A plus grande échelle, plusieurs millions d'années lumière, les amas de galaxies ont également une vitesse trop grande comparée à la masse visible.
- Les lentilles gravitationnelles. Quand on regarde très loin, les galaxies éloignées nous apparaissent déformées, le rayon lumineux est dévié comme si une masse noire était présente entre les galaxies et l'observateur.
- Les gaz chauds présents dans les amas de galaxie. Leur équilibre nécessite une masse supplémentaire que l'on ne voit pas.
- Le fond cosmique du rayonnement, photographié par les satellites Cobe et Wmap. Il s'agit de l'image de la dernière surface de diffusion de l'Univers, 300 000 ans après le Big bang. De cette image on déduit la géométrie de l'Univers, une géométrie qui corrobore l'existence de matière noire.

Où se cacherait-elle ?
Par toutes ces observations, indépendantes, on arrive à la même conclusion : l'Univers est constitué à environ 25 % de matière et 75 % d'énergie noire. Et la matière se répartit entre 20 % de matière invisible, noire et 5 % de matière ordinaire.
Il n'y a pas de galaxies ou d'étoiles noires car la matière noire est toujours associée à la matière visible (sur Terre par exemple, il y en a un tout petit peu). La matière noire, contrairement à la matière visible, ne se condense pas, elle forme comme un brouillard diffus. Elle est seulement piégée un peu au cœur des galaxies.

Peut-on imaginer des théories alternatives, qui arrivent à expliquer la structure de l'Univers sans avoir recours à la matière noire ?
Bien sûr. On parle du 'problème de la matière noire', et il existe plusieurs façons de le résoudre. Par exemple, changer la loi de gravité à grande échelle serait une solution qui ne nécessite pas le recours à la matière noire. Certaines théories proposent effectivement de modifier la loi de gravitation en fonction de la distance, mais cela ne marche pas très bien.
Une autre possibilité, évoquée pour la première fois dans les années 1920 par Kalusa et Klein, est d'ajouter une autre dimension aux 4 dimensions connues (3 pour l'espace, et 1 pour le temps) dans laquelle la force de gravitation serait diluée. Dans le même esprit, de nombreuses théories, dont celle des cordes, rajoutent des dimensions supplémentaires, où là encore, g serait diluée.
Certaines théories (théories des champs scalaires) ajoutent plutôt une 5ème force fondamentale aux 4 forces connues.

C'est en partie ce que propose la théorie Mond. Parmi les alternatives à la matière noire, c'est la théorie la plus complète, celle qui convient le mieux et qui explique le mieux toutes les observations. En gros, c'est un élargissement de la théorie de la relativité. Avec Mond, par exemple, on garde la loi de Newton lorsque la force de gravité est supérieure à une valeur limite. Mais si elle est inférieure (à 2*10 exp-10 m/s2), on passe en gravité modifiée.

Qu'est-ce qui permettrait de trancher ?
On fait des calculs et des simulations numériques sur la matière noire et sur Mond. Les deux fonctionnent.
Pour trancher, il faudrait observer des particules de matière noire. On pense aux neutralinos, des particules prédites par le modèle supersymétrique. Actuellement, on ne sait pas si ces neutralinos existent, on n'a même jamais vu aucune particule du modèle supersymétrique ! Les énergies élevées nécessaire à leur création seront atteintes au LHC du Cern, à partir de l'année prochaine. C'est là qu'on devrait enfin voir, ou pas, si la matière noire existe.

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