création flipPomme de Jean-Denis Robert

relecture : Valérie Gautheron

Le Pommier, 2010

Tous droits réservés

ISSN : 1625-1245

ISBN : 9782746515147

170 bis, boulevard du Montparnasse 75014 Paris
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Collection développée avec le concours du ministère de la Culture et de la Communication (Centre national du livre et Cité des sciences et de l’industrie), dans le cadre du Fonds Jules-Verne.

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De multiples indices concordent : 85 % de la matière dans l’univers serait d’une nature différente de celle que nous connaissons. Ces indices sont tous indirects car nous ne voyons pas cette matière : elle ne rayonne pas, elle est noire.

La question de la matière noire est double :

où se cache-t-elle ?

de quoi est-elle formée ?

L’histoire de la matière noire est celle d’un conflit entre lumière et gravité.

Sans gravité il n’y aurait dans l’univers ni planètes, ni étoiles, ni galaxies, mais elle demeure un mystère. Ses effets sont bien connus sur la Terre (la chute des pommes par exemple) et elle rend compte avec une très grande précision du mouvement des planètes autour du Soleil, mais nous savons peu de chose de son comportement à l’échelle d’une galaxie et au-delà.

La lumière est, quant à elle, notre unique source d’information sur l’univers : il est si grand que seule la lumière a le temps de venir d’objets lointains. À 300 000 km/s, elle met une seconde à venir de la Lune et huit minutes du Soleil, mais déjà quatre années à arriver de l’étoile la plus proche. Traverser la Voie lactée lui prend cinquante mille ans, et arriver de la galaxie la plus proche deux millions d’années. Heureusement, l’univers n’est pas seulement immense, il est aussi pratiquement vide, et de ce fait transparent : la lumière se propage sans perturbation importante sur de très grandes distances et nous pouvons voir très loin dans l’univers dans la plupart des directions (la lumière est fortement absorbée par des poussières dans la direction du centre de la Voie lactée). Cela nous permet de nous faire une idée assez précise de la répartition de la matière dans l’univers, ainsi que de sa nature car la lumière reçue d’un objet apporte beaucoup d’informations sur lui : sa position bien sûr, mais aussi sa vitesse, sa température ou sa composition chimique.

Mais cela entraîne évidemment un colossal biais d’observation : ne voyant, littéralement, que les objets lumineux, nous risquons de manquer tous les objets sombres, et d’avoir ainsi une vision complètement faussée de l’univers. Ce biais est en partie corrigé en observant la lumière à toutes les longueurs d’onde, des ondes radio aux rayons gamma, en passant par l’infrarouge, le visible, l’ultraviolet et les rayons X. Beaucoup d’objets n’émettent pas de lumière dans le visible mais sont très lumineux en infrarouge (les objets froids comme les poussières interstellaires) ou en rayons X (les objets très chauds comme le gaz ionisé).

Mais ne risquons-nous pas de manquer les objets n’émettant de lumière à aucune longueur d’onde ? Pas nécessairement : leur existence peut être inférée de leurs effets sur les objets lumineux car ils peuvent absorber ou dévier leur lumière, et ils peuvent aussi perturber leur trajectoires. C’est ainsi que Bessel conjectura en 1844 l’existence d’un compagnon obscur de l’étoile Sirius (la naine blanche Sirius B observée en 1862), et qu’Adams et Le Verrier attribuèrent en 1846 les irrégularités du mouvement d’Uranus à une nouvelle planète, Neptune, observée ensuite par Johann Galle à la position prédite. Inversement, Le Verrier attribua en 1859 l’excès de précession du périhélie de Mercure à une nouvelle planète, Vulcain, qui n’existe pas en réalité. Dans ce cas, c’est la théorie de la gravité qu’il fallut modifier, ce qu’accomplit la relativité générale d’Einstein.

C’est de cette manière que les astrophysiciens en vinrent peu à peu à estimer que 85 % de la matière dans l’univers était de la matière noire. Sa répartition se révèle très différente de celle de la matière lumineuse. Celle-ci est concentrée en étoiles, à petite échelle, et en galaxies à plus grande échelle, séparées par de grands espaces (apparemment) presque vides. La matière noire est au contraire beaucoup plus diffuse : sa densité est bien plus faible que la matière lumineuse au voisinage des étoiles (c’est pour cela que la dynamique newtonienne rend si bien compte du mouvement des planètes autour de leurs étoiles), elle devient comparable à la densité de matière lumineuse dans les galaxies, et elle domine très largement au-delà. Cette différence de comportement laisse supposer qu’elle est de nature distincte de la matière lumineuse, et en particulier qu’elle n’est probablement pas formée d’atomes. Ces conclusions radicales sont l’objet de vifs débats, mais comment en est-on arrivé là ?