Introduction
La matière noire est un concept central en cosmologie moderne, proposé pour expliquer des observations astrophysiques qui ne peuvent être justifiées par la seule matière visible (étoiles, gaz, planètes). Elle est qualifiée de 'noire' car elle n'interagit pas avec le rayonnement électromagnétique, la rendant totalement invisible aux télescopes traditionnels. Sa présence est trahie uniquement par son influence gravitationnelle sur la structure et la dynamique des galaxies et des amas de galaxies. La recherche de la matière noire est à la frontière entre la physique des particules et l'astrophysique, remettant potentiellement en cause notre compréhension fondamentale des lois de l'univers.
Description
La matière noire n'est pas de la matière ordinaire (baryonique) comme les protons et les neutrons. Elle est dite 'non-baryonique' et serait composée de particules exotiques, encore non détectées directement en laboratoire. Les candidats théoriques les plus étudiés sont les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), des particules massives interagissant très faiblement avec la matière ordinaire, et les axions, des particules très légères proposées pour résoudre un problème en physique des particules. Les preuves de son existence sont multiples et indirectes : la vitesse de rotation des étoiles dans les galaxies spirales (courbes de rotation plates) est trop élevée pour être maintenue par la gravité de la matière visible ; les mouvements des galaxies au sein des amas suggèrent une masse totale bien supérieure à celle observée ; l'effet de lentille gravitationnelle forte et faible révèle la présence de masses déformant l'espace-temps ; et les modèles de formation des grandes structures de l'univers nécessitent un 'échafaudage' de matière sombre pour expliquer la distribution actuelle des galaxies.
Histoire
L'histoire de la matière noire débute dans les années 1930 avec l'astronome suisse Fritz Zwicky. En étudiant l'amas de galaxies de Coma, il mesura les vitesses des galaxies et appliqua le théorème du viriel. Il découvrit une 'masse manquante' nécessaire pour maintenir la cohésion de l'amas, qu'il appela 'dunkle Materie' (matière sombre). Cette idée fut largement ignorée pendant des décennies. Elle fut ravivée dans les années 1970 par les travaux pionniers de l'astronome Vera Rubin et de ses collègues. En mesurant avec précision les courbes de rotation des galaxies spirales, Rubin démontra que les étoiles en périphérie tournaient aussi vite que celles près du centre, contredisant les lois de Kepler qui prédisent une décroissance de la vitesse. La seule explication plausible était la présence d'un vaste halo de matière invisible entourant chaque galaxie. Depuis, les observations du fond diffus cosmologique par les satellites COBE, WMAP et Planck ont fourni des preuves cosmologiques solides, indiquant que la matière noire constitue environ 26,8% de la densité d'énergie totale de l'univers, contre seulement 4,9% pour la matière ordinaire.
Caracteristiques
Les propriétés de la matière noire sont déduites de ses effets et des contraintes observationnelles. Elle est principalement caractérisée par : 1) L'absence d'interaction électromagnétique : elle est transparente à la lumière et n'émet aucun rayonnement détectable. 2) Une interaction gravitationnelle : c'est sa propriété principale, responsable de la structuration de l'univers. 3) Une interaction faible (si elle est composée de WIMPs) : elle pourrait interagir très rarement avec la matière ordinaire via la force nucléaire faible. 4) Une stabilité : les particules de matière noire doivent avoir une durée de vie extrêmement longue, au moins comparable à l'âge de l'univers. 5) Une nature 'froide' (Cold Dark Matter ou CDM) : selon le modèle cosmologique standard ΛCDM, les particules de matière noire se déplaçaient lentement à l'époque de la formation des structures, permettant aux petites structures de se former d'abord avant de s'agréger en galaxies. Ce modèle explique remarquablement bien la distribution à grande échelle des galaxies.
Importance
L'importance de la matière noire est fondamentale. Elle est la pierre angulaire du modèle cosmologique standard (ΛCDM), qui décrit l'évolution et la composition de l'univers (énergie noire, matière noire, matière ordinaire). Sans elle, notre compréhension de la formation des galaxies et des amas s'effondrerait. Sa découverte et son étude représentent un défi majeur pour la physique du 21e siècle, car elle pourrait révéler l'existence d'une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard de la physique des particules. La détection directe d'une particule de matière noire en laboratoire serait une révolution scientifique comparable à la découverte du boson de Higgs. Elle permettrait d'ouvrir une nouvelle fenêtre sur l'univers et de comprendre la nature de la majorité de sa matière.
