Les étoiles, les planètes, les nébuleuses, les galaxies et l’ensemble de la matière ordinaire observable ne représentent qu’environ 4.9-5% du contenu de l’Univers, selon les mesures cosmologiques récentes. La matière noire en constitue environ 27% et l’énergie noire près de 68%. Bien que ces deux composantes dominent près de 95% de l’Univers, leur nature demeure inconnue. Les scientifiques déduisent leur existence de leurs effets sur le mouvement des galaxies et l’expansion de l’espace.
Deux effets opposés dans l’évolution de l’Univers
La matière noire confère aux galaxies et aux amas de galaxies une gravité supplémentaire qui contribue à maintenir leur cohésion, tandis que l’énergie noire est associée à l’accélération de l’expansion de l’espace et à l’éloignement des galaxies. Les observations des observatoires terrestres et spatiaux, notamment celles de la mission Euclid de l’Agence spatiale européenne, confortent cette représentation de la composition de l’Univers.
La relation entre les composantes de l’Univers semble relever de deux effets opposés : la gravité de la matière ordinaire et de la matière noire ralentit l’expansion, tandis que l’énergie noire pousse l’Univers à se dilater à un rythme accéléré.
Comment les indices de l’existence de la matière noire sont-ils apparus ?
Les premiers indices de l’existence d’une masse invisible sont apparus au début du XXe siècle, lorsque les astronomes ont mesuré le mouvement des étoiles au sein des galaxies et constaté que leurs vitesses de rotation étaient supérieures à ce que leur masse visible permettait d’expliquer. Dans les années 1930, l’astronome suisse Fritz Zwicky a apporté la première preuve d’une masse manquante en étudiant le mouvement des galaxies de l’amas de Coma.
Dans les années 1970, l’astronome américaine Vera Rubin a renforcé cette hypothèse en démontrant que les étoiles situées aux périphéries des galaxies tournaient à une vitesse proche de celle des étoiles proches de leur centre, contrairement à ce que l’on pouvait prévoir d’après la seule répartition de la matière visible.
La matière noire n’émet pas de lumière, pas plus qu’elle ne l’absorbe ou ne la réfléchit. Les télescopes classiques ne peuvent donc pas l’observer directement. Mais son effet gravitationnel se manifeste dans les vitesses de rotation des galaxies et dans le phénomène des lentilles gravitationnelles, où la lumière des galaxies lointaines se courbe en passant à proximité de masses énormes invisibles.
Les cosmologistes estiment que la matière noire a joué le rôle d’un « échafaudage cosmique » : sa gravité a contribué, au fil de milliards d’années, à rassembler la matière ordinaire dans les régions où sont apparus les étoiles, les galaxies et les amas. Sa nature demeure toutefois inconnue. Selon certaines théories, elle pourrait être constituée de particules subatomiques encore non découvertes, comme les particules massives interagissant faiblement ou les axions. Les scientifiques excluent en revanche qu’il s’agisse de matière ordinaire, d’antimatière ou de trous noirs.
Selon les conceptions scientifiques avancées, des milliards de particules de matière noire pourraient traverser le corps humain chaque seconde sans que personne ne s’en rende compte, en raison de la rareté de leurs interactions avec la matière ordinaire.
L’énergie noire et l’accélération de l’expansion de l’espace
L’effet de l’énergie noire est opposé à celui de la matière noire : elle est associée à une poussée qui entraîne l’espace dans une expansion accélérée. Ses effets sont apparus en 1998, lorsque deux équipes internationales ont étudié les explosions de supernovas lointaines et découvert que l’expansion de l’Univers s’accélérait au lieu de ralentir sous l’effet de la gravité, comme on s’y attendait.
L’interprétation de l’énergie noire fait toujours l’objet de recherches. Parmi les principales hypothèses avancées figurent celle d’une énergie présente dans le vide lui-même, celle d’un champ cosmique variable, ou encore l’idée que la conception actuelle de la gravité doit être révisée.
Nous savons comment se comporte l’énergie noire, mais nous ne savons pas ce qu’elle est.
Des cartes des galaxies à la recherche de réponses
Le projet « DESI » aux États-Unis et la mission européenne Euclid s’emploient à cartographier des millions de galaxies afin de déterminer si les propriétés de l’énergie noire restent constantes au fil du temps ou si elles évoluent. La réponse à cette question pourrait influer sur la compréhension, par les scientifiques, de l’histoire et de l’avenir de l’Univers.
L’Agence spatiale européenne « ESA » participe à ces recherches à travers la mission Euclid, de même que le Laboratoire national américain de l’accélérateur Fermi (Fermilab) et le partenariat du projet « DESI », aux côtés d’autres programmes éducatifs et de recherche. La NASA et l’Agence spatiale européenne poursuivent également la mise au point d’outils plus précis pour cartographier la matière noire et l’énergie noire.
Près d’un siècle après l’apparition des premiers indices de l’existence de la matière noire, l’interprétation d’environ 95% du contenu de l’Univers n’en est encore qu’à ses débuts. Toute nouvelle découverte pourrait ainsi profondément remodeler les conceptions relatives à l’origine, à l’évolution et au destin de l’Univers.
