Les mystères de la physique (4). Le côté sombre de la matière

«Des concepts sans matière sont vides.» Aussi physicien et astronome, le philosophe Emmanuel Kant, mort en 1804, n'aurait peut-être pas prononcé cette citation s'il avait vécu au XXe siècle. Car dans l'astrophysique d'aujourd'hui, il existe un tel concept qui le trahirait: la «matière sombre».

La centaine de milliards de galaxies de l'univers, contenant chacune en moyenne 100 milliards d'étoiles – sans parler des planètes – ne contribueraient en effet qu'à 5% de sa masse totale. De quoi sont faits les 95% restant? Mystère. Il s'agit très probablement d'une matière totalement différente de celle que l'on connaît. Invisible autant qu'impalpable, mais trahissant sa présence par l'influence gravitationnelle qu'elle exerce sur les corps célestes ou la lumière (voir l'infographie), elle est surtout indispensable aux scientifiques pour expliquer l'évolution du cosmos. Or, même si cette matière sombre n'a pas encore été détectée, cette notion est – n'en déplaise à Kant – loin d'être vide de sens et d'intérêt. En témoigne le foisonnement d'hypothèses et d'études scientifiques qui lui sont consacrées.

Toutes ont pour point de départ les travaux de Fritz Zwicky. En 1933, cet astronome suisse tente d'estimer la masse de l'amas de la Chevelure de Bérénice, par le biais de sept des quelque 2500 galaxies qu'il héberge. Sa méthode? Les bonnes vieilles lois de la gravitation de Newton, qui lient la vitesse des astres aux masses voisines. Zwicky décortique donc les mouvements des galaxies périphériques qu'il a choisies. Puis détermine leur masse, et enfin celle de l'amas. Mais quelque chose cloche.

Ces galaxies ont une vitesse si grande qu'elles devraient logiquement être éjectées comme un enfant d'un carrousel tournant trop vite. En effet, la matière totale calculée dans l'amas semble trop petite pour exercer une force de gravité suffisant à les retenir. Zwicky propose alors l'existence d'une matière additionnelle sombre, cachée dans la Chevelure de Bérénice, dont la quantité serait 400 fois supérieure à celle observable. A l'époque, l'homme passe pour un hurluberlu de l'astrophysique. Si bien que ses homologues, accaparés par d'autres problèmes, n'accordent pas le moindre intérêt à son postulat. Finalement, cette idée tombe dans l'oubli. Jusqu'à la fin des années 1960.

D'autres observations vont alors dans le même sens. Tout ne tourne effectivement pas rond dans le ciel: les diverses mesures de masse des galaxies ne concordent pas, suivant qu'elles sont effectuées selon la méthode dynamique (avec les lois de la gravitation) ou calculées en fonction du rayonnement émis. L'hypothèse de la matière sombre renaît.

Bien sûr, il a vite été proposé que celle-ci était tout à fait ordinaire, formée des habituels protons, neutrons et électrons, mais qu'elle s'avérait simplement difficile à détecter. «Une idée insoutenable aux échelles plus grandes que les galaxies, explique Daniel Pfenniger, astrophysicien à l'Observatoire de Genève. En effet, si tel était le cas, les observations ne cadreraient plus avec les abondances des éléments cosmiques primordiaux (hydrogène, hélium, etc.) calculées selon le modèle du big bang.»

Les scientifiques aussi ont avancé que la matière ordinaire «manquante» se cachait peut-être dans des «étoiles ratées» (naines brunes), dans des trous noirs supermassifs qui avalent et retiennent tout même la lumière, ou encore dans les nuages de gaz «fantômes» situés à l'intérieur des galaxies ou emplissant l'espace intergalactique. Chou blanc? Presque. De la matière classique a bien été détectée dans de tels objets célestes. Mais elle ne fait de loin pas le poids pour combler le déficit de masse calculé, et ainsi exclure la matière sombre. Finalement, l'image reste la même: l'univers, c'est environ 5% de matière classique, dont seul un cinquième est visible à l'aide de télescopes, et 95% de cette mystérieuse matière sombre.

Halo enveloppant les galaxies

Dans les années 1980-1990, les cosmologistes misaient tout sur une nouvelle hypothèse: une surabondance de neutrinos. Ces particules sont émises notamment par les étoiles ou lorsque des rayons cosmiques entrent en collision avec la matière. Elles sont quasiment indétectables car elles interagissent très faiblement avec la matière. En 1998, une expérience japonaise a montré que leur masse était très petite, mais non nulle, comme on le supposait jusque-là. Dans le mille? Toujours pas. «Les neutrinos sont certes abondants dans l'univers, précise Daniel Pfenniger, mais vu leur masse infime, ils correspondent au mieux à un faible pourcentage de la masse manquante totale, mais tout de même à une masse comparable à toute la matière ordinaire déjà trouvée. Cette découverte nous a toutefois montré qu'il existe de la place pour de nouvelles entités. C'est très encourageant.»

Réconfortante également cette étude française parue l'an dernier. Des chercheurs de l'Observatoire de Paris ont simulé une collision entre deux galaxies, de laquelle est née une troisième. Pour que les résultats correspondent à la réalité, il leur a fallu introduire de grandes quantités de masse invisible, sous la forme d'un vaste halo enveloppant chacune des galaxies primaires. Une preuve de plus que cette matière sombre, même si elle joue l'Arlésienne cosmique, semble donc bel et bien exister.

Aujourd'hui, les chercheurs n'ont d'autre choix que de poursuivre la traque. Désormais, les candidats à la mode sont les WIMPs, acronyme anglais pour «particules massives interagissant faiblement». D'où sortent-elles? «Le Modèle standard, sorte de catalogue de la physique des particules, décrit très bien les particules élémentaires connues, mais est dépourvu d'une théorie prédisant leur masse, détaille Daniel Pfenniger. Les physiciens tentent donc d'imaginer un nouvel ordre, plus large ou «supersymétrique», dans lequel existerait un «pendant» à chacun des corpuscules décrits jusque-là. Ces particules, assez massives, électriquement neutres, interagissant peu avec la matière, mais sensibles à la force de gravitation, seraient des candidates possibles pour la matière sombre.»

Chercheurs dans le noir

Plusieurs expériences à travers le monde tentent actuellement de les apercevoir. Enterrés à de grandes profondeurs, des détecteurs d'une sensibilité extrême ont été construits de manière à déceler l'infinitésimal échauffement (un millionième de degré!) qu'induirait le passage furtif d'une WIMP. Pour l'heure, les résultats sont encore discordants. Mais les expériences doivent être améliorées, ce qui augure des recherches prometteuses.

Devant tant d'acharnement sans conclusion probante, d'autres astrophysiciens avancent que peut-être, simplement, l'on fait fausse route. En 1983 déjà, un physicien israélien affirme que la matière sombre, eh bien, ça n'existe pas! Selon lui, pour rendre compte du mouvement des galaxies, il suffit de modifier la loi de Newton en y ajoutant un terme. Problème: cette théorie, appelée MOND (pour dynamique de Newton modifiée), est bien applicable aux systèmes galactiques en forme de disque ou de sphère. Mais elle n'est plus compatible avec celle de la relativité d'Einstein. Impossible donc de faire des prédictions sur les pulsars, les trous noirs ou, pire, le big bang. «En fait, c'est toute la physique moderne qui serait remise en question», commente l'astrophysicien genevois. Même si quelques cosmologistes s'y accrochent, cette théorie à contre-courant fait ainsi peu d'adeptes.

Autre hypothèse: l'«énergie sombre». Cette entité encore mal définie serait responsable de l'expansion accélérée de l'univers observée récemment (lire ci-dessous). Plus fantastique encore, elle expliquerait 70% de la masse de l'univers, laissant 25% à la matière sombre et 5% à la matière ordinaire. Mais cette idée, ne reposant sur aucune théorie ou preuve irréfutable, est débattue au sein de la communauté scientifique.

L'existence de la matière sombre en revanche est très largement admise. L'appréhender nécessite désormais des scientifiques inventivité, audace et clairvoyance. «Ce que l'on comprend aujourd'hui, c'est un pâle résumé de ce que l'on découvrira peut-être un jour, s'enthousiasme le professeur genevois. Ce mystère nous montre que l'univers est encore plus riche que prévu. En résumé, la situation des scientifiques d'aujourd'hui diffère peu de celle des astronomes d'autrefois, qui pointaient leur lunette vers l'inconnu du ciel: ils sont aussi dans le noir. Mais il serait étonnant que l'on ne trouve rien.»