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Les mystères de la matière noire et de l'énergie noire

Plus on explore l'Univers, plus on est frappés par toutes les découvertes qu'il reste encore à faire. Les scientifiques pensent maintenant que la matière « ordinaire » – celle dont sont constitués les êtres humains, les plantes, les objets de tous les jours, les planètes et même les étoiles – ne représente que 4 % environ de tout ce qui se trouve dans l'Univers. La matière noire et l'énergie noire forment les 96 % restants : elles n'interagissent pas avec la lumière et ne peuvent être détectées qu'en raison de leurs effets. Les propriétés de la matière noire et de l'énergie noire demeurent l'un des plus grands mystères de l'astronomie moderne.

La chasse à la matière noire

Image composite de l'amas de la Balle

Image composite de l'amas de la Balle, résultat de la collision de deux amas de galaxies, à environ 3,4 milliards d'années-lumière de la Terre. Cette image est constituée de trois éléments : la lumière visible (étoiles et galaxies en blanc et orange) collectée par les télescopes Hubble et Magellan; les zones roses où l'observatoire de rayons X Chandra a détecté du gaz chaud, où se trouve la majorité de la matière « ordinaire » de l'amas; les zones bleues où les astronomes ont observé que l'amas était le plus massif. Le fait que les régions roses et bleues ne soient pas alignées semble indiquer que la majeure partie de la masse gravitationnelle ne se trouve pas dans les structures visibles ni dans le gaz chaud. En fait, la masse de cet amas de galaxies est en grande partie attribuable à de la matière noire invisible agglutinée ici et là qui n'interagit pas du tout avec la lumière. (Source : NASA/CXC/M. Markevitch et coll./STScI/Magellan/Université de l'Arizona/D. Clowe et coll./ESO WFI.)

Des astrophysiciens ont émis l'hypothèse que l'Univers contient une sorte de « matière noire », une forme de matière qui n'interagit pas avec le champ électromagnétique et qui n'absorbe, n'émet ou ne reflète aucune forme de lumière. Ils ont constaté que, dans les groupes et amas, les galaxies se déplaçaient beaucoup plus rapidement qu'ils l'avaient prédit. Ils en ont donc déduit que les amas, pour que leur gravité puisse maintenir les galaxies ensemble, devaient contenir plus de matière qu'on pouvait observer.

Dans les années  et , des astronomes comme Vera Rubin ont étudié le mouvement des étoiles et des gaz dans des galaxies spirales. Ils ont évalué la masse totale de ces galaxies. En comparant cette masse à la masse lumineuse (comme celle des étoiles et du gaz) des galaxies, ils ont réalisé que beaucoup de matière manquait! Leur travail a montré que les galaxies contiennent environ six fois plus de cette mystérieuse « matière noire » que de matière « ordinaire ». Les scientifiques pensent maintenant que la matière noire constitue environ le quart de toute la matière et l'énergie de l'Univers.

La galaxie spirale NGC 7331

En mesurant la vitesse des étoiles et des gaz en orbite autour du centre d'une galaxie spirale comme celle-ci, NGC 7331, les scientifiques peuvent déterminer la masse totale de ce qu'elle contient. (Sources : ESA/Hubble, NASA/D. Milisavljevic (Université Purdue).)

En appliquant les lois du mouvement et de la gravitation universelle de Newton au mouvement des étoiles et des gaz dans une galaxie, les astronomes peuvent mesurer la distribution de la masse dans cette galaxie. La masse mesurée dépasse souvent largement celle de la matière visible, ce qui indique la présence de matière noire.

Constituants possibles de la matière noire

L'expérience DEAP sur la matière noire

L'expérience DEAP sur la matière noire par la discrimination de la forme des impulsions dans l'argon se déroule dans le laboratoire SNOLAB près de Sudbury en Ontario, deux kilomètres sous terre. Une équipe internationale de chercheurs participent à l'expérience DEAP pour essayer de détecter des particules massives à faible interaction, constituants probables de la matière noire. (Source : The DEAP-3600 Collaboration.)

Les scientifiques ont avancé plusieurs explications pour la matière noire. Ils ont pensé aux trous noirs, puisque ceux-ci n'émettent pas de lumière, et aussi aux naines brunes et aux planètes géantes, peu brillantes. Selon ce qu'on sait de ces objets, il est improbable qu'il y en ait assez pour rendre compte de toute la matière noire présente dans l'Univers.

La plupart pense maintenant que la matière noire est probablement constituée de quelque chose de très petit. Les scientifiques privilégient une particule hypothétique ayant une masse, mais interagissant peu avec la matière. La force de gravité et la force nucléaire faible auraient un effet sur ces « particules massives à faible interaction », mais pas la force électromagnétique, ce qui signifie qu'elles n'émettraient, n'absorberaient et ne réfléchiraient pas de rayonnements électromagnétiques, ce qui correspond au comportement actuellement observé de la matière noire.

Pour approfondir leurs connaissances sur ces particules invisibles, des scientifiques du monde entier construisent d'immenses détecteurs remplis de matières qui, espèrent-ils, interagiront avec la matière noire. Ils veulent que ces instruments ne détectent que les particules de matière noire, alors ces expériences se déroulent souvent profondément sous terre, là où la croûte terrestre fait écran à toute interférence possible.

L'énergie noire : elle n'a pas son pareil

Image de la supernova SN 2011fe dans la galaxie du Moulinet prise à l'observatoire Palomar en Californie. (Source : BJ Fulton/LCOGT.)

Quand on parle de matière noire, il est souvent question aussi d'énergie noire. Contrairement à la matière noire, qui semble avoir quelques caractéristiques communes avec la matière « ordinaire », l'énergie noire semble ne pas avoir son pareil dans le cosmos… et elle représente environ 70 % de tout ce qu'il y a dans l'Univers.

L'Univers est en expansion depuis le big bang. Les astronomes peuvent étudier cette expansion en mesurant la vitesse à laquelle les galaxies lointaines s'éloignent de nous. On peut parfois mesurer les distances croissantes entre des galaxies à partir de l'explosion de certaines supernovas. Les chercheurs ont découvert récemment que l'expansion de l'Univers est plus rapide que prévu! C'est peut-être à cause de l'énergie noire : il est possible que cette force inconnue hypothétique repousse les limites de l'Univers, comme si c'était une forme d'antigravité. L'énergie noire demeure un sujet de recherche important étant donné qu'on en sait encore très peu sur ses propriétés.

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