"Attention, ouragan de matière noire en vue ! Affûtons nos détecteurs et ouvrons l’oeil !" Si le télescope européen Gaia était doué de parole, tel serait son message d’alerte aux équipes qui depuis des décennies tentent de détecter cette énigmatique entité. Le satellite, qui observe notre galaxie à une distance de 1,5 million de kilomètres de la Terre depuis 2013, vient en effet de repérer un courant d’étoiles totalement inattendu. Nommé S1, il se déplace à 300 km/s à travers la Voie lactée dans des régions très proches de notre système solaire. Un courant dense, qui grille la priorité à notre étoile, fonçant à l’opposé de celle-ci. Les spécialistes ont identifié son origine : il provient d’une galaxie voisine en train de se déliter car tiraillée par le champ gravitationnel de la Voie lactée. Mais si ce courant stellaire intéresse bigrement les astronomes, c’est en raison de sa supposée très précieuse marchandise ! Dans le cadre de leur modèle actuel de cosmos, ils estiment en effet que si ce courant ne se défait pas, c’est qu’il doit comporter - comme toutes les structures célestes - beaucoup plus de "matière noire" que d’étoiles.
Un véritable "ouragan" de cette matière énigmatique qui composerait 25 % de l’Univers serait donc en train de siffler à nos oreilles selon les signataires d’un article paru dans la revue Astrophysics en décembre 2018. Et son passage offre aux chercheurs l’opportunité de tenter de piéger une nouvelle fois une entité dont le nom semble tout droit sorti d’un comic strip : le Wimp (weakly interactive massive particle). Autrement dit une particule qui aurait une masse relativement élevée tout en étant quasi indétectable car elle ne brille pas et n’interagit presque pas avec la matière ordinaire. Pourtant, le wimp constitue aujourd’hui le candidat le plus en vue pour expliquer la matière noire, raison pour laquelle il est activement recherché - en vain pour l’instant - par quelques dizaines d’expériences à travers le monde.
"Attention, ouragan de matière noire en vue ! Affûtons nos détecteurs et ouvrons l’oeil !" Si le télescope européen Gaia était doué de parole, tel serait son message d’alerte aux équipes qui depuis des décennies tentent de détecter cette énigmatique entité. Le satellite, qui observe notre galaxie à une distance de 1,5 million de kilomètres de la Terre depuis 2013, vient en effet de repérer un courant d’étoiles totalement inattendu. Nommé S1, il se déplace à 300 km/s à travers la Voie lactée dans des régions très proches de notre système solaire. Un courant dense, qui grille la priorité à notre étoile, fonçant à l’opposé de celle-ci. Les spécialistes ont identifié son origine : il provient d’une galaxie voisine en train de se déliter car tiraillée par le champ gravitationnel de la Voie lactée. Mais si ce courant stellaire intéresse bigrement les astronomes, c’est en raison de sa supposée très précieuse marchandise ! Dans le cadre de leur modèle actuel de cosmos, ils estiment en effet que si ce courant ne se défait pas, c’est qu’il doit comporter - comme toutes les structures célestes - beaucoup plus de "matière noire" que d’étoiles.
Un véritable "ouragan" de cette matière énigmatique qui composerait 25 % de l’Univers serait donc en train de siffler à nos oreilles selon les signataires d’un article paru dans la revue Astrophysics en décembre 2018. Et son passage offre aux chercheurs l’opportunité de tenter de piéger une nouvelle fois une entité dont le nom semble tout droit sorti d’un comic strip : le Wimp (weakly interactive massive particle). Autrement dit une particule qui aurait une masse relativement élevée tout en étant quasi indétectable car elle ne brille pas et n’interagit presque pas avec la matière ordinaire. Pourtant, le wimp constitue aujourd’hui le candidat le plus en vue pour expliquer la matière noire, raison pour laquelle il est activement recherché - en vain pour l’instant - par quelques dizaines d’expériences à travers le monde.
Elle retient les étoiles dans les galaxies
Pour comprendre cet engouement, il faut remonter au milieu des années 1970, lorsque le mouvement des étoiles et du gaz interstellaire a pu être mesuré avec précision grâce à l’Américaine Vera Rubin qui étudiait alors la vitesse des astres autour du centre de leur galaxie. L’astronome constate que les étoiles et le gaz périphériques de la galaxie vont bien trop vite par rapport aux prédictions théoriques. La loi de la gravitation, formulée par Isaac Newton, qui rend compte du mouvement des astres implique en effet que plus les étoiles sont distantes du centre, plus leur vitesse de rotation est faible. Celles observées par Vera Rubin vont si vite qu’elles devraient même quitter la galaxie ! Si elles ne le font pas, ce serait donc qu’une matière invisible leur apporterait un supplément de masse qui les retiendrait assurant ainsi leur cohésion.
Une masse invisible que l’on devrait théoriquement retrouver tout autour d’elles, dans le halo galactique, stipulait alors l’astronome américaine. L’énigme de la matière noire venait de naître !
Par la suite, les astrophysiciens constatèrent que cette anomalie se retrouvait dans les amas de galaxies, les superamas… et ainsi de suite jusqu’aux structures les plus grandes. Et qu’un tel ingrédient avait dû "peser" de toute sa masse dès les premières fractions de seconde de l’Univers, pour que se forment les étoiles, galaxies, amas et superamas qui peuplent aujourd’hui l’espace… mais qui ne représentent que 5 % de la matière existante dans l’Univers. Sous quelle forme se trouvent les 95 % restants et comment s’y prendre pour les détecter ? Telle fut la grande préoccupation des années 1980.
Bon nombre de candidats ont dû être écartés
Commençons par la première question : la forme que pourrait prendre cette matière inconnue. Avant de converger vers l’hypothèse Wimp, il a fallu écarter bon nombre de candidats, en particulier les éventuels objets sombres.
Ainsi, pendant douze ans, la campagne française Eros (Expérience de recherche d’objets sombres) menée notamment par le CEA et le CNRS, a ratissé le halo de la Voie lactée à la recherche d’astres noirs. Parmi eux, les naines brunes - ces étoiles dont la masse serait insuffisante pour démarrer les réactions nucléaires à l’origine de la lumière des étoiles - étaient particulièrement visées. Mais la conclusion est tombée en 2004 : la matière qui nous est familière - celle des planètes et des étoiles - ne peut expliquer la masse cachée de l’Univers. "Tout indique que cette matière noire existe sous une forme bien plus exotique", explique Benoît Famaey, de l’Observatoire astronomique de Strasbourg. D’où l’hypothèse des fameux Wimp, des particules pourvues d’une masse mais qui se comporteraient de manière très discrète. Mais d’autres scénarios sont possibles "comme celui d’un tissu de trous noirs primordiaux ayant existé dans la prime enfance de l’Univers : ils n’émettent pas de lumière et auraient pu structurer l’espace en produisant ce surplus d’attraction gravitationnelle", reprend l’astrophysicien. "La matière noire pourrait s’expliquer aussi par un nouveau type de neutrino, dit stérile, ou encore par des axions, des particules bien plus légères que les Wimp. Et il n’est pas exclu que la nature soit encore plus baroque avec un mélange de tous ces ingrédients, assorti même de légères modifications de la gravité !"
La modélisation de la répartition de la matière dans l’Univers (Millennium-Simulation-Project) permet de simuler l’emplacement de l’énigmatique matière noire (ici les filaments brillants).
Pour l’heure, ce sont donc les Wimp que les chercheurs traquent en priorité, et ce selon deux types de méthodes. Soit indirectement, en essayant de recueillir les produits de désintégration des Wimp lorsqu’elles se percutent, comme au LHC (Grand collisionneur de hadrons du Cern, sous la frontière franco-suisse). Soit directement, comme lorsqu’une de ces particules traverse un instrument de détection comme celui de Xenon1T au Laboratoire national du Gran Sasso, en Italie, dont la dernière campagne s’est achevée en février 2018. Aucune de ces méthodes n’a encore attrapé l’oiseau rare mais les résultats, fondés sur une non-détection, ont permis d’écarter de nombreux modèles théoriques. "Compte tenu des caractéristiques du détecteur, nous pouvons affirmer quelles sont les masses et la probabilité d’interaction des particules qui sont aujourd’hui exclues", affirme Benoît Famaey.
Mais voilà que la détection du courant S1 par le satellite Gaia vient de changer la donne. "C’est une aubaine pour toutes les expériences que nous appelons “de détection directionnelle”, s’enthousiasme Daniel Santos, du Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble, membre de l’expérience Cygnus qui construit le détecteur Mimac au laboratoire souterrain de Modane (Savoie). Son but est de repérer une direction d’arrivée privilégiée pour les hypothétiques particules de matière noire, "seule manière de les différencier des particules émises en permanence par la radioactivité naturelle et du bain très abondant de neutrinos".
La Chine se lance à son tour dans la course
Pour comprendre, il faut se souvenir que la matière noire est concentrée dans le halo de la Galaxie et que notre système solaire se déplace à une vitesse de 220 km/s autour du centre galactique. En outre, la Terre a une vitesse de rotation de 30 km/s autour du Soleil. Résultat : le flux de Wimp parvenant jusqu’à nous devrait varier de 10 % environ au cours de l’année. Une variation parfaitement détectable puisque les estimations indiquent qu’un milliard de Wimp percute chaque mètre carré de la surface terrestre à chaque seconde. "Mais si en plus de cette variation saisonnière, un vent supersonique de matière sombre, tel que l’a repéré Gaia, s’y rajoute… toutes les chances sont de notre côté", poursuit Daniel Santos. Avec le ferme espoir, cette fois, de ne pas revenir bredouille. D’autant que le détecteur le plus sensible du moment, le chinois PandaX, installé 2400 m de profondeur à Jinping, dans le Sichuan, viendra leur prêter main-forte. Premiers résultats attendus en 2020.
Une théorie pour se passer de matière noire
Mordehai Milgrom, théoricien israélien de l’institut Weismann des sciences, propose depuis les années 1980, de s’affranchir de l’hypothèse de la matière noire en modifiant la loi de la gravité de Newton et coller ainsi parfaitement au mouvement des étoiles. Rappelons, en effet, que c’est une anomalie dans cette loi qui a poussé les scientifiques à émettre l’idée même de matière noire : elle stipule que la vitesse de déplacement des étoiles diminue à mesure qu’elles s’éloignent du centre des galaxies, alors que les observations montrent le contraire. D’où l’hypothèse, jamais prouvée, de la matière cachée. Mordehai Milgrom a donc élaboré une nouvelle théorie, nommée MOND (modified newtonian dynamics). Elle stipule que la modification de la loi de Newton interviendrait en deçà d’un seuil. Ainsi, lorsque l’accélération est forte - comme au centre des galaxies -, la loi de Newton s’appliquerait. Au-delà, la gravité serait modifiée. Mais reste à comprendre la signification de ce seuil. Par ailleurs, MOND ne parvient pas à expliquer le mouvement des astres aux échelles plus grandes que celle des galaxies (amas et superamas). Pas plus qu’elle ne rend compte des inhomogénéités du fond diffus cosmologique, qui représentent les germes de futures galaxies, déjà présentes au sein de la première lumière de l’Univers lorsque le cosmos était âgé de 380.000 années.
