Selon l’équipe de recherche, leurs résultats leur permettent également de déterminer avec plus de précision la proportion d’énergie noire dans l’Univers. Ils sont arrivés à ces conclusions après avoir analysé les observations d’amas de galaxies réalisées par le télescope à rayons X eROSITA, qui scrute l’ensemble du ciel terrestre à la recherche d’amas de galaxies détectables. eROSITA est monté sur Spektr-RG, un télescope spatial russo-allemand lancé en orbite terrestre en 2019.
Les physiciens ont été les premiers à proposer l’existence de la matière noire en 1933, en partie parce que des équations montraient que les galaxies manquaient de matière observable pour les empêcher de se désintégrer. De plus, les taux de rotation observés des galaxies ne correspondaient pas aux résultats attendus par les modèles physiques standards.
Les recherches ultérieures ont été largement retardées jusqu’aux années 1970, lorsque des instruments scientifiques plus sophistiqués, des détecteurs de rayons gamma aux télescopes spatiaux, ont permis aux astronomes et aux physiciens de confirmer les calculs et observations antérieurs.
De puissants radiotélescopes ont également fourni des indices, comme la lentille gravitationnelle (un effet où la matière provoque une courbure de la lumière entre la source et l’observateur), et ont apporté des preuves convaincantes de l’existence d’une matière que nous pouvons détecter mais que nous ne voyons pas. Le secret, c’est qu’elle est invisible; elle n’interagit pas avec la lumière.
Tout ce que vous voyez, tout ce que vous ressentez, tout ce qui vous compose ne représente que 5% de l’univers, le reste est de la matière noire.
Les physiciens ont calculé qu’environ 27 pour cent de l’univers entier est constitué de matière noire, et le reste (68 pour cent) est un phénomène tout aussi mystérieux appelé énergie noire.
La partie invisible de l’Univers est composée de deux éléments: l’énergie noire et la matière noire. Cette dernière est un peu moins mystérieuse, et les scientifiques sont quasiment certains de son existence: sans elle, les lois de la gravité ne fonctionneraient tout simplement pas. Les galaxies telles que nous les voyons n’auraient pas pu se rassembler jusqu’à leur taille actuelle depuis le Big Bang si seule la matière visible avait existé. De plus, de nombreuses galaxies ne pourraient même pas se maintenir ensemble si la gravité de la matière visible était la seule force qui les attire.
Le nouveau télescope spatial européen, Euclid, tentera de cartographier cette matière invisible. Mais que se passera-t-il si les résultats ne sont pas à la hauteur des attentes? Les enjeux sont considérables, notamment la célèbre et largement acceptée théorie de la relativité générale d’Einstein.
Cependant, la situation avec l’énergie noire est plus complexe. La découverte de cette force insaisissable remonte à 1998, lorsque des astronomes ont constaté que l’expansion de l’univers s’accélérait. Cette expansion était initialement due à l’énergie du Big Bang, mais comme ce dernier s’est produit il y a très longtemps (il y a 13,8 milliards d’années, pour être précis), elle devrait ralentir.
Pour résoudre ce mystère, des théoriciens ont proposé l’existence d’une force mystérieuse – l’énergie noire – qui résiste à la gravité et sépare la matière. Selon les modèles cosmologiques, l’énergie noire représente 68 % de toute l’énergie du cosmos, selon la NASA. Cependant, les astronomes reconnaissent que les preuves de son existence sont plutôt vagues.
Les astronomes espèrent détecter des traces d’énergie noire dans la distribution des galaxies dans l’espace cartographiée par la mission Euclid.
Les modèles montrent que cette énergie devrait être uniformément répartie dans l’univers et que son intensité a toujours été la même. À l’aube de l’univers, l’influence de l’énergie noire n’était pas aussi perceptible, car le coup de pouce initial du Big Bang a entraîné la majeure partie de l’expansion de l’univers. Cependant, il y a environ 5 à 6 milliards d’années, l’énergie noire est devenue la force dominante, contrecarrant la gravité de la matière ordinaire et de la matière noire.
Cependant, il est également possible que l’énergie noire n’existe pas du tout et que les modèles cosmologiques qui prédisent son existence soient erronés. Ces modèles reposent sur la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, qui décrit les «règles» physiques de l’univers à l’aide d’une série d’équations. Si de futures observations du télescope Euclide (et d’autres télescopes conçus pour étudier l’énergie noire) révèlent que l’énergie noire n’est pas une force aussi constante et omniprésente, cela signifierait que cette célèbre théorie est incomplète.
Euclid recherchera des preuves de l’énergie noire en cartographiant la répartition des galaxies sur 10 milliards d’années et en comparant son évolution au cours de l’évolution de l’Univers. Ces observations révéleront s’il existe réellement une force constante et omniprésente, ou si quelque chose d’autre est à l’œuvre.
D’une manière générale, nous pouvons mesurer la matière et l’énergie dans l’Univers en les observant dans l’une des quatre interactions suivantes:
— Avec le rayonnement électromagnétique (lumière)
— Par les effets gravitationnels
— Avec d’autres matières par l’intermédiaire de la force nucléaire forte, qui maintient la matière ensemble
— La force nucléaire faible, ou l’interaction des particules subatomiques, responsable de la désintégration radioactive
La matière noire échappe à la plupart de ces observations, car elle ne semble interagir avec la matière ordinaire que par l’intermédiaire de la gravité. Mais cela n’empêche pas les physiciens d’exclure d’autres méthodes.
Ce couloir mène au laboratoire de recherche souterrain de Jadugoda, en Inde. Situé à 560 mètres sous la surface, ce laboratoire recherchera des particules massives à faible interaction (WIMPS), témoins de l’existence de la matière noire.
L’un des domaines de recherche de Brown est l’étude des interactions de la matière noire avec la matière ordinaire sous forme d’isotopes liquides du xénon. La demi-vie du xénon-124 est environ mille milliards de fois supérieure à celle de l’univers. D’énormes réservoirs de cette substance sont pompés profondément dans la croûte terrestre afin de limiter le bruit de fond, comme le rayonnement électromagnétique, susceptible d’interférer avec les mesures. Seules la matière noire et certaines particules subatomiques, comme les muons et les neutrinos, peuvent traverser des milliers de mètres de roche dense.
Théoriquement, seule la désintégration radioactive naturelle exceptionnellement lente du xénon 124 ou ses interactions avec les muons, les neutrinos ou la matière noire pourraient entraîner des modifications de l’isotope. Si une particule de matière noire subatomique arrache un électron au xénon 124, l’expérience Xenon1T devrait le détecter.
L’expérience est menée en profondeur pour éviter l’exposition aux rayonnements électromagnétiques. XENON1T
Bien que les scientifiques de la matière noire n’aient pas encore détecté d’interactions directes avec ces particules subatomiques insaisissables, ils ont certainement fait un certain nombre d’autres observations intéressantes, notamment la désintégration du xénon 124 – l’événement le plus rare jamais enregistré dans l’histoire de l’humanité.
Nous en savons plus sur ce que la matière noire n’est pas que sur ce qu’elle est. Premièrement, ce n’est pas de l’énergie noire. C’est une forme d’énergie, dont l’existence a également été indirectement prouvée, mais qui existe probablement parce que l’univers est en expansion accélérée, contrairement aux lois de la physique régissant la matière et l’énergie ordinaires.
Et la matière noire n’est pas de l’antimatière, qui est de la matière ordinaire composée de particules subatomiques de charge directement opposée à celle de la matière. Lorsque l’antimatière et la matière entrent en collision, elles s’annihilent, générant des sursauts de rayonnement gamma. La matière noire peut également émettre un rayonnement gamma lorsqu’elle entre en collision avec son homologue, l’antimatière noire, formant ainsi de la matière ordinaire.
Et enfin, la matière noire n’est pas simplement une autre classe des trois familles de matière ordinaire, comme les hadrons, les leptons ou les bosons, ces deux derniers étant jusqu’alors théoriques mais ayant finalement été détectés directement dans les accélérateurs de particules et se comportant différemment de ce que l’on attend.
Cependant, les leptons et les bosons nous offrent une piste de réflexion. La matière noire semble être une forme de matière composée d’une ou plusieurs classes de particules subatomiques totalement différentes. L’une des plus prometteuses est la WIMP (particule massive faiblement interactive).
Malgré leur nom vague, on estime que les WIMP ont une masse mille fois supérieure à celle des protons dans la matière ordinaire. Et la théorie décrivant leur fonctionnement est parfaitement cohérente avec les calculs de la quantité de matière noire dans l’Univers.
Mais les WIMP sont loin d’être la seule théorie envisageable. Il existe également des trous noirs primordiaux, qui sont essentiellement de petits trous noirs hérités du Big Bang. Cependant, les chercheurs n’y ont pas observé de microlentille gravitationnelle, ce qui exclut la possibilité qu’une partie de la masse des trous noirs primordiaux soit constituée de matière noire.
Il y a ensuite des considérations théoriques sur des particules comme les SIMP et les axions, ainsi que d’innombrables autres indices potentiels.
Bien sûr, mener des recherches sans pouvoir observer ce que l’on croit exister, ou n’existe pas forcément, peut s’avérer fastidieux. Par exemple, des chercheurs de l’Université Yale ont découvert deux galaxies dépourvues de matière noire. Ces recherches laissent entrevoir des possibilités fascinantes quant au fonctionnement de la matière noire dans l’Univers: la matière noire interagit avec la matière ordinaire par un mécanisme que nous ignorons encore aujourd’hui: la «force noire», ou cinquième force de l’Univers.
Image composite obtenue par télescopes optique et à rayons X, avec de la matière noire probable surlignée en bleu, bien qu’elle ne soit pas directement visible sur les images. Peter van Dokkum/Université Yale
Une autre idée est que la matière noire interagit à travers des forces plus connues que la simple gravité, mais le fait avec une force d’interaction si faible que nous n’avons tout simplement pas encore les moyens de détecter de manière fiable les signaux.
Au cours des 50 dernières années, la physique des particules s’est attachée à décomposer l’univers en ses plus petits composants. Actuellement, la matière noire ne cadre pas avec certaines idées sur le fonctionnement de l’univers, notamment le modèle standard de la physique des particules.
Par ailleurs, la physique fondamentale des particules, notamment la recherche de matière noire, a déjà permis des avancées technologiques significatives. Nombre des outils de détection utilisés dans ce domaine sont largement applicables à d’autres domaines, tels que l’imagerie médicale ou la sûreté nucléaire.
Internet, par exemple, a été créé en partie parce que les physiciens théoriciens du CERN souhaitaient trouver de nouveaux moyens d’échanger des données. Le GPS, quant à lui, s’appuie dans une certaine mesure sur la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui explique comment la gravité courbe l’espace et le temps.
La matière noire semble être distribuée dans le cosmos comme un réseau, des amas de galaxies se formant aux points d’intersection des filaments. La matière noire n’interagit pas avec la lumière; nous ne pouvons donc pas la voir directement. Les scientifiques détectent plutôt sa présence grâce à son influence gravitationnelle sur les objets visibles.
Voici quelques éléments clés de preuve de l’existence de la matière noire:
1. Courbes de rotation des galaxies
Lorsque les astronomes mesurent la vitesse de rotation des étoiles autour du centre des galaxies, ils découvrent une étrange découverte. Les étoiles situées aux limites des galaxies se déplacent beaucoup plus vite qu’elles ne le devraient si seule la matière visible était présente. Cela suggère qu’une substance invisible – la matière noire – augmente la masse de la galaxie et empêche ces étoiles de s’échapper dans l’espace.
2. Lentille gravitationnelle
Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, les objets massifs peuvent dévier la trajectoire de la lumière. Lorsque la lumière des galaxies lointaines se dirige vers nous, elle passe parfois à proximité d’amas invisibles de matière noire, qui dévient la trajectoire de la lumière par un phénomène appelé lentille gravitationnelle. En étudiant la distorsion de la lumière par les amas de galaxies, les astronomes ont pu cartographier la matière noire dans l’univers.
3. Rayonnement cosmique relique (RCR)
Le rayonnement de fond diffus cosmologique (FDC) est le rayonnement résiduel du Big Bang, qui contient d’infimes fluctuations de température révélant la répartition de la matière dans l’univers primitif. La nature de ces fluctuations n’a de sens que si la matière noire existait déjà et a influencé la condensation de la matière ordinaire.
4. Structure à grande échelle de l’Univers
Les simulations informatiques de l’évolution de l’Univers montrent que les galaxies et les amas de galaxies ne se forment ainsi qu’en présence d’importantes quantités de matière noire. Sans elle, les structures seraient beaucoup plus petites et plus dispersées.
Une lueur mystérieuse émanant du centre de la Voie lactée pourrait être causée par la destruction de la matière noire. Mattia Di Mauro (ESO/Fermi-Lat)
Voici quelques-uns des principaux candidats à la matière noire:
1. WIMP (particules massives à faible interaction)
Ces particules hypothétiques comptent parmi les principales candidates. Elles possèdent une masse et interagissent via la gravité et peut-être la force nucléaire faible, mais pas via la lumière ni l’électromagnétisme, ce qui les rend invisibles. De grands détecteurs souterrains tentent de détecter l’une de ces particules insaisissables en action, mais sans succès jusqu’à présent.
2. Axions
Les axions sont des particules ultra-légères qui peuvent exister en grand nombre et se comporter comme un fluide froid et invisible dans l’espace. Ils constituent un autre candidat sérieux pour la matière noire, notamment parce qu’ils pourraient contribuer à résoudre d’autres mystères de la physique, comme le problème de composition de la PC forte en physique des particules.
3. Neutrinos stériles
Les neutrinos sont des particules fantomatiques qui interagissent à peine avec la matière. Les neutrinos stériles seraient encore plus insaisissables que les neutrinos ordinaires et, s’ils existent, ils pourraient expliquer partiellement ou totalement la matière noire.
4. Trous noirs primordiaux
Certains scientifiques émettent l’hypothèse que la matière noire pourrait être constituée de minuscules trous noirs formés dans l’univers primordial. Ceux-ci seraient petits et difficiles à détecter, mais leur existence reste improbable.
Une nouvelle technique expérimentale a limité les possibilités d’un candidat potentiel à la matière noire, les «photons noirs». Cette nouvelle méthode pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre la substance la plus mystérieuse de l’univers en affinant la recherche d’un candidat spécifique à la matière noire: les «photons noirs» cachés.
La matière noire représente environ 85% de la matière de l’univers, mais comme elle n’interagit pas avec la lumière, ou très faiblement, elle reste quasiment invisible. L’absence apparente d’interaction électromagnétique de la matière noire signifie que les scientifiques savent qu’elle ne peut être composée des atomes qui constituent la matière «ordinaire», celle qui compose les étoiles, les planètes et notre corps. Les recherches de l’équipe ont été publiées en juin 2023 dans la revue Physical Review Letters.
Le mystère de la matière noire est une question cruciale pour les scientifiques, car cela signifie que la matière observable ne représente que 15% de toute la matière du cosmos, sans compter l’énergie. Cela a conduit à la recherche de candidats potentiels à la matière noire, tels que les photons dits «cachés» ou «noirs».
Ces photons sombres différeront des photons ordinaires, les particules sans masse qui composent la lumière, car on s’attend théoriquement à ce qu’ils aient une masse. Cependant, leur masse sera négligeable, environ vingt ordres de grandeur inférieure à celle d’un électron. C’est cette nature ultra-légère qui fait des photons sombres de bons candidats pour la matière noire, mais qui les rend aussi extrêmement difficiles à détecter.
Les photons sombres ont initialement été proposés comme candidats à la matière noire, car ils interagissaient théoriquement faiblement avec les photons ordinaires, ce qui signifie qu’ils auraient pu contribuer au réchauffement de l’univers primitif. Ceci explique pourquoi la toile cosmique, la structure à grande échelle de l’univers qui relie les galaxies, était plus chaude que ne le prédisaient les observations du télescope spatial Hubble.
Des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont développé une nouvelle méthode de détection des photons sombres. Bien que cette nouvelle stratégie n’ait pas encore permis de détecter une seule particule hypothétique, elle a imposé des contraintes sur leurs caractéristiques, ce qui facilitera les recherches futures.
«La sensibilité d’une expérience de photons cachés de matière noire dépend de la force du signal de matière noire par rapport au plus petit signal que vous pouvez détecter», a déclaré à Phys.org Nikita Klimovich, membre de l’équipe et chercheur au département de physique de l’université d’Oxford.
« Lors de la recherche de photons cachés, l’amplitude du signal de matière noire dépend de la surface de l’antenne métallique utilisée, tandis que le niveau de signal minimum détectable est largement déterminé par le niveau de bruit des amplificateurs utilisés pour lire le signal de l’antenne », a ajouté Klimovich.
La recherche de photons noirs par l’équipe s’inspire d’une précédente tentative de recherche de matière noire cachée, l’expérience SHUKET, qui utilisait un télescope électromagnétique. Les études précédentes ayant inspiré ces travaux, comme l’expérience SHUKET, visaient généralement à maximiser la puissance du signal en utilisant une très grande antenne équipée des meilleurs amplificateurs à faible bruit disponibles sur le marché.
Cependant, dans cette nouvelle étude, l’équipe a adopté une approche différente : elle a utilisé des amplificateurs à confinement quantique plutôt que des amplificateurs classiques et a recherché des photons noirs à des températures incroyablement basses. Ils les ont étudiés à des températures allant de -272,9 degrés Celsius à -273,149 degrés Celsius, soit une fraction de degré au-dessus de la température théoriquement la plus basse possible: le zéro absolu.
Bien que cela ait permis aux scientifiques de réduire considérablement les niveaux minimaux de signal détectable par rapport à d’autres expériences utilisant du matériel standard, cette méthode présentait un sérieux inconvénient. Le faible volume de l’isolation sous vide du cryostat, utilisé par les scientifiques pour refroidir leur appareil, limitait considérablement la taille du bol métallique sphérique qu’ils pouvaient utiliser pour leurs recherches.
Bien que cela signifie un signal beaucoup plus faible que celui détecté par SHUKET et d’autres expériences sur la matière noire, l’équipe espérait que cette lacune serait compensée par la sensibilité accrue des mesures collectées.
«S’il existait un photon caché dont la masse correspondait à la gamme de fréquences à laquelle nous sommes sensibles, nous observerions un léger excès de puissance provenant de l’antenne par rapport à la référence», a expliqué Klimovich. «Comme nous n’avons pas observé un tel signal, nous pourrions fixer une nouvelle limite supérieure à l’interaction d’un tel photon caché avec un champ électromagnétique, en nous basant sur le plus faible niveau de signal détectable.»
Bien que le signal des photons noirs n’ait pas été détecté lors des mesures de l’équipe, l’approche adoptée par les scientifiques a imposé de nouvelles contraintes strictes sur les photons théoriquement cachés. Alors que la recherche de candidats à la matière noire se poursuit, ces contraintes et cette nouvelle approche pourraient à terme jouer un rôle dans la découverte des photons noirs et, par conséquent, dans la résolution du mystère de la matière noire.
Certains scientifiques émettent l’hypothèse que la matière noire pourrait être constituée de minuscules trous noirs formés par l’effondrement de ce que l’on appelle des «baryons noirs». Il se pourrait également que la matière noire soit un type de particule créée par le rayonnement de Hawking à l’horizon cosmique.
Pendant des décennies, les WIMP (particules massives faiblement interactives) ont été considérées comme les principales candidates à la matière noire. Mais alors que la recherche de WIMP est dans l’impasse et que les expériences continuent d’échouer, de nouvelles théories de la matière noire émergent. Parmi elles, deux nouveaux modèles développés par Stefano Profumo, professeur de physique théorique à l’Université de Californie à San Diego, dont les idées offrent une perspective radicalement différente sur le problème de la matière noire.
Dans l’un de ses articles, Profumo se demande si un «secteur sombre» pourrait être la source de la matière noire. Par «secteur sombre», il ne veut pas dire que notre univers est régi par la matière noire et l’énergie noire. Il désigne plutôt une sorte de «monde miroir» de particules interagissant par des forces indépendantes de la matière dans notre monde. L’hypothèse de Profumo concernant le secteur sombre et les trous noirs a été publiée le 9 mai 2024 dans la revue Physical Review D, et son modèle d’horizon cosmique a été publié dans la même revue le 8 juillet.
Profumo soutient que ce concept n’est pas aussi étrange qu’il y paraît. Par exemple, il souligne comment les quarks contenus dans les protons et les neutrons sont liés par l’interaction nucléaire forte. Les électrons sont totalement insensibles à l’interaction forte. Ils ne la ressentent absolument pas. Pour eux, l’interaction forte est un domaine obscur.
Diagramme de l’histoire de l’Univers et de la localisation de l’horizon cosmique. Les effets quantiques à l’horizon pourraient avoir conduit à l’émergence de la matière noire dans l’Univers primordial. Stefano Profumo
Selon Profumo, les baryons noirs seraient équivalents aux protons ou aux neutrons dans ce secteur sombre, sauf qu’ils pourraient contenir plus de trois quarks et donc être plus massifs.
L’étape suivante de la théorie du chercheur lui a été inspirée par son fils adolescent, qui se demandait si une particule suffisamment massive pouvait s’effondrer sous l’effet de sa propre gravité, formant ainsi un mini-trou noir. Les baryons sombres du secteur sombre, s’ils existent, pourraient être suffisamment massifs pour provoquer cet effet; ces minuscules trous noirs pourraient être présents dans tout l’univers et former collectivement ce que nous appelons la matière noire.
Les trous noirs, grands ou petits, sont entourés d’une limite invisible appelée l’horizon des événements, à l’intérieur de laquelle la gravité est si forte que même la lumière ne peut s’échapper. Cependant, cet horizon des événements est «chaud»: les particules créées à cette limite par des effets quantiques peuvent émettre ce que l’on appelle le rayonnement de Hawking (du nom du célèbre physicien Stephen Hawking, à qui l’on attribue cette idée). Au fil du temps, ce rayonnement arrache masse et énergie au trou noir, provoquant son évaporation progressive. Pour les trous noirs supermassifs, cela prendrait un temps incroyablement long: au moins 10^100 ans. Cependant, les trous noirs à la plus petite échelle – appelée échelle de Planck – peuvent s’évaporer en un temps inférieur à l’âge de l’univers.
Cependant, si certaines hypothèses sont faites sur la nature de ces trous noirs formés par l’effondrement de baryons noirs, alors leur rayonnement Hawking peut être supprimé, les empêchant de s’évaporer et leur permettant d’agir comme matière noire.
Parallèlement, une autre idée de Profumo utilise également le concept de rayonnement Hawking, mais d’une manière complètement nouvelle.
Nous vivons dans un univers en expansion accélérée, entraînant avec lui des régions de l’espace si lointaines que leur lumière ne nous atteindra jamais. Ceci crée une frontière, ou horizon cosmique, qui définit la limite de l’univers visible. Au-delà de cet horizon, il existe peut-être une part bien plus grande de l’univers, mais nous ne la verrons jamais.
Revenons maintenant au Big Bang. L’univers a commencé par une explosion d’énergie expansionniste appelée inflation. Cette période d’inflation a duré une infime fraction de seconde. Cependant, certains modèles suggèrent également qu’après l’inflation, une seconde explosion, plus brève, d’énergie expansionniste s’est produite. Cette période de mini-inflation pourrait être liée à l’inflation et à sa fin, ou être causée par des facteurs similaires.
Cette seconde période d’expansion a créé des horizons cosmiques similaires à celui qui borde l’univers visible aujourd’hui. Cependant, l’univers visible actuel a un diamètre de 93 milliards d’années-lumière, avec la Terre en son centre (le concept d’univers «visible» dépend fortement de l’observateur; des observateurs situés dans différentes parties de l’espace verront différents volumes de l’univers observable centrés autour d’eux). L’immensité de l’univers visible signifie que la température à l’horizon cosmique est très basse, l’espace lui-même étant devenu très dispersé.
Cette image composite montre la répartition de la matière noire, des galaxies et du gaz chaud au cœur de l’amas de galaxies en fusion Abell 520, formé par la violente collision d’amas de galaxies massifs. Les zones bleues indiquent la localisation de la majeure partie de la masse de l’amas, dominée par la matière noire. NASA, ESA, CFHT, CXO, MJ Jee, A. Mahdavi
Cependant, lors de la deuxième poussée d’inflation, l’Univers était encore incroyablement compact et la température à l’horizon était encore extrêmement élevée.
Profumo a réalisé que ces horizons cosmiques primitifs pourraient agir comme des horizons d’événements ; en effet, le concept rappelle quelque peu celui d’un trou noir, mais inversé, puisque tout ce qui se trouve au-delà de l’horizon cosmique est à jamais séparé de nous, tout comme tout ce qui se trouve à l’intérieur de l’horizon d’événements d’un trou noir l’est également. Et tout comme le rayonnement de Hawking est émis par l’horizon d’événements d’un trou noir, Profumo a émis l’hypothèse que l’horizon cosmique pourrait également être soumis à un rayonnement de Hawking, et que l’énergie de ce rayonnement pourrait être convertie en une sorte de particule de matière noire.
Cela peut paraître quelque peu arbitraire, car la position de l’horizon cosmique dépend de la position de l’observateur. Cependant, l’univers étant homogène (identique en tout point à grande échelle) et isotrope (identique dans toutes les directions) – deux truismes que nous appelons le principe cosmologique – deux observateurs devraient voir la même quantité de matière noire, où qu’ils se trouvent.
Profumo ne prétend pas que la matière noire doit nécessairement être l’une de ces deux possibilités; en fait, le fait qu’il ait développé deux théories implique qu’il ne souhaite pas lier ses couleurs à une théorie particulière.
Tout ce que nous savons avec certitude à propos de la matière noire, c’est qu’elle interagit via la gravité. Pourtant, malgré son énigme, elle domine totalement la manière dont la matière de l’univers s’assemble en galaxies. Près d’un siècle s’est écoulé depuis que Fritz Zwicky a proposé son existence, et environ un demi-siècle depuis que Vera Rubin a confirmé la nécessité de la matière noire dans notre univers, mais nous n’en savons toujours rien. Les expériences permettent d’affiner ses propriétés; plus nous avons d’idées, plus nous avons de chances de faire correspondre l’une d’entre elles aux propriétés observées de la matière noire.
Certains chercheurs ont suggéré que la matière noire n’existe pas du tout; notre compréhension de la gravité s’effondrerait peut-être à grande échelle. L’une des théories alternatives les plus importantes est la Dynamique Newtonienne Modifiée (MOND). Elle corrige le comportement de la gravité à très faible accélération, comme à la périphérie des galaxies.
Cependant, la théorie MOND et les théories similaires ne peuvent expliquer toutes les données disponibles, notamment les schémas détaillés du fond diffus cosmologique et de la lentille gravitationnelle. C’est pourquoi la plupart des scientifiques continuent de croire que la matière noire est une substance réelle, impossible à détecter directement.
La matière noire n’interagit pas avec la lumière ; nous ne pouvons donc pas la voir directement. Les scientifiques détectent sa présence grâce à son influence gravitationnelle sur les objets visibles.
Les cosmologistes pensent généralement que la matière noire explique le comportement des galaxies. Cela s’explique en partie par la difficulté de formuler une théorie de la gravité modifiée (MOND). Et en partie parce que, lorsque les scientifiques ont pointé des télescopes micro-ondes vers le rayonnement de fond cosmologique (CMB), la lumière de l’univers primordial, il s’est avéré que, selon la relativité générale, la même quantité et le même type de matière noire étaient également nécessaires pour expliquer le comportement des ondes sonores qui se sont propagées dans l’univers lorsqu’il avait moins de 500 000 ans, et dont nous pouvons observer les traces. La gravité modifiée peine à fournir une explication unifiée pour tous ces systèmes – galaxies, amas de galaxies, l’univers lui-même.
Si la matière noire existe, elle doit avoir une masse. Or, une matière noire sans masse ne pourrait pas se comporter de manière à résoudre les problèmes qu’elle pose.
Deux choses que nous savons avec certitude à propos de la matière noire (en supposant qu’elle existe) sont qu’elle exerce une force gravitationnelle (elle a une masse) et qu’elle se déplace lentement (par rapport à la vitesse de la lumière).
Des expériences, souvent menées en profondeur pour se protéger des rayons cosmiques, visent à détecter les particules de matière noire interagissant avec le détecteur. Des expériences comme LUX-ZEPLIN (LZ) et XENONnT portent la sensibilité à un niveau supérieur.
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) fait entrer en collision des particules à haute énergie, produisant potentiellement des particules de matière noire indétectables mais laissant une énergie et une quantité de mouvement manquantes dans les données de collision.
Des télescopes du monde entier et de l’espace continuent de cartographier la distribution de la matière noire grâce à la lentille gravitationnelle et aux relevés de galaxies. Des instruments comme l’observatoire Vera C. Rubin et la mission Euclid de l’Agence spatiale européenne fourniront des données encore plus précises.
Des expériences spécialisées telles que ADMX (Axion Dark Matter Experiment) et les recherches de neutrinos stériles testent d’autres candidats potentiels à la matière noire.
Pour en savoir plus sur la matière noire, consultez le site web du Laboratoire national de l’accélérateur Fermi (États-Unis). Ce laboratoire mène des expériences sur les particules de haute énergie dans des collisionneurs de particules de pointe afin de découvrir des particules susceptibles de combler les lacunes de notre compréhension de l’Univers. L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), le plus grand laboratoire de physique des particules au monde, recherche également des particules de matière noire manquantes. NASA, Énergie noire, Matière noire, https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy, CERN, Matière noire, https://home.cern/science/physics/dark-matter
La matière noire représente environ 80% de la masse de l’Univers. MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY
La force d’antigravité qui entraîne l’expansion accélérée de l’univers semble être distribuée uniformément dans l’espace et le temps.
Selon l’équipe de recherche, les résultats permettent également de déterminer plus précisément la proportion d’énergie noire dans l’Univers, tant en termes d’énergie que de matière. L’étude de l’équipe a été publiée en avril 2023 dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Ils sont arrivés à leurs conclusions après avoir analysé les observations d’amas de galaxies effectuées par le télescope à rayons X eROSITA, qui scrute tout le ciel au-dessus de la Terre à la recherche d’amas de galaxies détectables. eROSITA est monté sur Spektr-RG, un télescope spatial russo-allemand lancé en orbite terrestre en 2019.
Les amas de galaxies sont utiles pour comprendre l’énergie noire, car à grande échelle, cette étrange force «antigravité» répulsive devrait empêcher la formation de structures cosmiques gigantesques. Cela signifie que l’énergie noire détermine comment et où les amas de galaxies, les plus grands objets de l’univers, peuvent se former.
Le relevé final de profondeur équatoriale d’eROSITA (eFEDS) a permis de découvrir environ 500 amas de galaxies, l’un des plus grands échantillons d’amas de galaxies de faible masse découverts à ce jour. Les amas observés couvrent environ les 10 derniers milliards d’années de l’évolution de l’Univers, vieux de 13,8 milliards d’années.
Images en rayons X (en haut) et en fausses couleurs optiques (en bas) de trois amas de galaxies de faible masse étudiés par le télescope eROSITA. L’amas présentant le décalage vers le rouge le plus élevé remonte à une période où l’Univers était environ 10 milliards d’années plus jeune qu’aujourd’hui. Dans ce cas, les galaxies de l’amas sont nettement plus rouges que celles des deux autres amas. eROSITA
L’équipe de recherche a combiné les observations d’eROSITA avec les données optiques obtenues lors de la mission stratégique Hyper Suprime-Cam de Subaru. Cela a permis la première étude cosmologique utilisant les amas de galaxies découverts par eROSITA.
Les résultats de l’étude ont été comparés aux prédictions théoriques, confirmant que l’énergie noire représente environ 76% de la densité énergétique totale de l’Univers. Les résultats indiquent également que cette densité énergétique est uniforme dans l’espace et constante dans le temps.
Les résultats de l’équipe concordent avec ceux d’autres approches indépendantes d’étude de l’énergie noire, telles que les études antérieures sur les amas de galaxies et les recherches basées sur l’effet de la gravité sur la lumière, connu sous le nom de lentille gravitationnelle faible. Cependant, si ces nouvelles découvertes apportent un éclairage supplémentaire sur l’énergie noire, cette force reste un mystère que les physiciens sont impatients de percer.
Dans les années 1920, l’astronome américain Edwin Hubble a observé des galaxies lointaines, révélant qu’elles s’éloignaient de nous. De plus, plus une galaxie est éloignée, plus elle s’éloigne rapidement, ce qui a conduit les scientifiques à découvrir que l’univers est en expansion.
Ce fut suffisamment choquant pour remettre en question l’idée alors répandue selon laquelle l’univers existait dans un état stable. La situation devint encore plus étrange en 1998, lorsque l’observation de supernovae lointaines révéla que l’univers était non seulement en expansion, mais aussi en accélération.
Pour expliquer cette accélération, les scientifiques ont besoin d’une source, et ils appellent cette source «énergie noire», qui fournit une sorte d’«antigravité» pour accélérer l’expansion cosmique.
Cependant, bien qu’ils sachent ce que fait l’énergie noire et qu’ils soient capables de calculer qu’elle représente environ 76% de l’énergie et de la matière de l’Univers, les scientifiques ne savent toujours pas ce qu’elle est réellement ni pourquoi elle a commencé à affecter l’Univers à ses époques ultérieures.
