La matière sombre

Maintenant, supposons que, pendant la nuit, notre astre du jour, au lieu de s'éteindre, voit sa masse diminuer jusqu'à 10% de sa valeur. Que se passerait-il ? Son attraction sur la Terre deviendrait beaucoup plus faible, de sorte que notre planète, étant donnée sa vitesse, le quitterait pour filer dans l'espace. Newton a montré que la Terre tourne autour du Soleil et qu'on peut expliquer son orbite parce que, d'une part, il y a le Soleil qui l'attire, d'autre part, parce qu'elle subit une force centrifuge qui tend à l'éloigner. Tiraillée dans les deux sens, elle se retrouve, sur sa trajectoire elliptique, pile-poil en équilibre.

De même que la Lune tourne autour de la Terre et que la Terre tourne autour du Soleil, le Soleil tourne autour du centre de la Galaxie. Toutes les étoiles de la Voie lactée effectuent une révolution en 200 millions d'années environ. Mais, vers 1935, les astronomes se sont aperçus que les étoiles devraient s'échapper de leurs orbites parce que la masse de notre galaxie est beaucoup trop faible pour les retenir. De là est née l'idée qu'en plus des étoiles que nous voyons, il existe de la matière sombre. D'après les observations indirectes, 99 % de l'Univers seraient ainsi invisibles.

La masse obscure est constituée pour une petite part de matière ordinaire faite de protons, de neutrons et d'électrons comme vous et moi, mais aussi de matière dite exotique, composée de choses totalement différentes dont nous ignorons tout ou presque.

En 1998, un événement extraordinaire a bousculé cette vision déjà étrange de l'Univers : on a découvert que non seulement les galaxies s'éloignent ce que l'on savait depuis les années 30, mais qu'elles vont de plus en plus vite. Elles accélèrent sous l'influence d'une composante jusque-là inconnue appelée l'"énergie sombre" exotique répulsive, parce qu'au lieu d'exercer une force d'attraction, elle repousse...

A l'heure des bilans, on se dit que notre Univers n'est pas très brillant : nous ne voyons que 1 % de sa masse, et sa partie sombre se révèle cent fois plus imposante. L'ensemble se décompose ainsi : la matière ordinaire, c'est-à-dire les protons, les neutrons et les électrons, représente à peine 5 % de l'Univers, dont 1 % visible (essentiellement les étoiles qui brillent et que l'on voit) et 4 % invisibles (on ne sait pas très bien où).

La matière sombre exotique gravitante, celle qui est attractive et explique la rotation des étoiles, constitue 25 % de la masse de l'Univers. Et le restant de l'Univers, soit 70 %, n'est que de l'énergie sombre exotique répulsive qui accélère les galaxies. Quelle est la nature de cette énergie ? Vraisemblablement, elle est liée à la densité d'énergie du vide quantique.

Du point de vue historique, ce revirement inattendu est fascinant. La physique quantique fut élaborée dans les années 1920-1930 en étudiant les atomes, donc des choses microscopiques. Petit à petit, on en est arrivé à l'idée qu'il existait un vide quantique qui a une densité d'énergie. Et aujourd'hui, nous découvrons que cette densité d'énergie du vide quantique est la plus grande partie de l'Univers : 70 % ! Notre Univers est dominé par une masse aveugle, une énergie liée au champ quantique qui a été découverte en étudiant les atomes... Il est formé de composantes très étranges dont un tiers, à peu près, est fait d'une matière attractive, et le reste d'une matière répulsive...

La force attractive, en 1/r2 , est importante à courte distance mais s'estompe à mesure qu'on s'éloigne. La force répulsive, au contraire, est en r et croît avec la distance et ses effets ne se font sentir qu'à des milliards d'années-lumière. Elle ne devient efficace que très loin, c'est pourquoi elle est restée très longtemps ignorée.

Hubert Reeves

Masse cachée, qui es-tu ?

La masse cachée de l'Univers est-elle "normale" ou totalement inconnue ? Selon les résultats de la nucléosynthèse primordiale, la matière baryonique sombre (de la matière ordinaire dont sont faits les humains, les planètes, les étoiles...) représente entre 3 et 30 fois la partie lumineuse. S'agit-il de trous noirs, ces cadavres particulièrement sombres d'étoiles très massives ? Trop peu nombreux : 70 % des étoiles formées ou en formation sont de masse insuffisante pour se transformer en trou noir. Faut-il accuser les naines blanches ou les naines rouges, ces vieilles petites étoiles trop peu lumineuses pour être observées par nos télescopes ? Difficile, car pour que le compte soit bon, il faudrait tant de petites étoiles que certaines auraient nécessairement déjà été détectées près de nous. Le meilleur candidat serait donc les naines brunes, des étoiles si peu massives qu'elles n'ont pas réussi à allumer en leur sein des réactions thermonucléaires.

Plusieurs équipes internationales ont tenté pendant plusieurs années de repérer ces astres sans lumière par la technique de microlentille : le passage d'une naine brune devant une étoile lumineuse entraîne une variation de l'éclat de cette dernière. Hélas, pour l'instant, le nombre d'événements s'est révélé nettement inférieur aux attentes ! Aussi les naines brunes ne peuvent-elles être les seules coupables. Une part non négligeable de la matière sombre est sans doute " anormale ", notamment à l'échelle des galaxies.

Sylvie Rouat

Masse cachée, où es-tu ?

Puisque la matière ordinaire sombre et lumineuse ne fait pas le poids, l'Univers serait donc constitué pour l'essentiel de matière exotique d'hypothétiques particules subatomiques lourdes interagissant faiblement avec la matière ordinaire. D'où leur nom de " wimps " (Weakly Interacting Massive Particle) ou mauviettes. Selon les théories, ces mauviettes seraient nées un dix-milliardième de seconde après le Big Bang. Elles s'appellent photinos, squarks, neutralinos, gluinos, axions, etc., et n'existent pour l'instant que sur le papier. Pourtant, cela fait des décennies que les chercheurs les traquent. En vain. Car si dans la Galaxie on estime qu'il y a environ 1 wimp par litre, la théorie prédit que les détecteurs ne pourront jamais en détecter que 0,0001 à 1 par jour et par kilogramme de cible.

Mais voici qu'il y a un an, pour la première fois dans l'histoire de la matière noire, l'équipe italienne Dama menée par Rita Bernabei, de l'université de Rome, a annoncé avoir observé un signal dans son détecteur souterrain du Gran Sasso, près de Rome. Parallèlement, l'équipe américaine CDMS annonçait des résultats incompatibles avec ceux des Italiens. Alors, les wimps ont-ils ou non été dévoilés ? " Aucun de ces deux résultats n'est probant ", tempère Gabriel Chardin, chercheur au service de physique des particules du CEA-Saclay.

Quant à l'expérience française Edelweiss, installée dans le tunnel du Fréjus et protégée des rayons cosmiques par des milliers de mètres cubes de montagnes, " elle n'a enregistré aucun signal ", regrette-t-il. Rien de rien.

" Cela signifie qu'il faut chercher un autre signal, différent de celui annoncé par l'équipe italienne. Peut-être même la fréquence des interactions des wimps est-elle inférieure d'un facteur 10 à 100 000 à ce que nous cherchons actuellement. "

Sylvie Rouat

Sciences & Avenir N°654

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