La matière noire et l’énigme de la masse manquante

Si vous aimez vous plonger dans les grands mystères de l’univers, celui-ci devrait vous plaire : la matière ordinaire, celle qui vous compose, qui compose les étoiles et les amas de galaxies, ne représente que 5% du contenu de l’Univers. Celui-ci est rempli d’une autre sorte de matière, la matière noire, qu’on ne peut pas voir, et dont la nature nous échappe…

Si on ne peut pas la voir, comment savons-nous que la matière noire existe ? Pour comprendre, il nous faut faire un rappel important : avec la loi de la gravitation universelle de Newton, on peut relier la vitesse d’une planète à sa distance au Soleil ; et en connaissant la vitesse et la distance des planètes, on peut déduire la masse du Soleil.

Prédire l’existence de la matière noire

En 1933, l’astronome Fritz Zwicky fait des calculs similaires mais adaptés à l’échelle d’un amas de galaxies. Faisant les calculs pour l’amas de galaxies de la Chevelure de Bérénice (aussi appelé amas de Coma), il y trouve une masse complètement incompatible avec la quantité d’étoiles qu’il y observait.

Il en conclut qu’il doit nécessairement exister une matière invisible qui exerce une attraction gravitationnelle suffisante pour maintenir les galaxies proches les unes des autres. Ses calculs vont rester une simple curiosité pendant plusieurs décennies.

C’est dans les années 70 que le concept de matière noire émergera pleinement, notamment avec les travaux de Vera Rubin, qui mettra en évidence de manière indiscutable qu’au sein des galaxies, il y a un problème de masse manquante.

Le problème de la masse manquante

Considérant les masses des galaxies et des amas de galaxies, celles-ci devraient s’éloigner les unes des autres à une certaine vitesse, que l’on a pu établir théoriquement. Mais ce que les scientifiques ont constaté, c’est que celles-ci ne s’éloignent pas du tout aussi vite les unes des autres que nos théories le prévoient ! Les galaxies et les amas de galaxies tournent à une vitesse telle que la matière observable qu’elles contiennent ne devrait pas les tenir ensemble. Autrement dit, la gravité qui les maintient ensemble ne peut pas être due uniquement à la force de gravitation qu’exerce la matière observable.

Si la matière ordinaire ne suffit pas à expliquer le phénomène de gravité qui maintient les galaxies et les amas de galaxies ensemble, les scientifiques sont persuadés qu’un élément invisible intervient, qui leur donne une masse supplémentaire : la matière noire.

Celle-ci n’interagit pas avec la force électromagnétique, contrairement à la matière ordinaire, elle n’interagit donc pas avec la lumière et n’en émet pas. On ne peut pas la voir. Ce qui la rend, bien entendu, très difficile à détecter. Son surnom de “matière noire” ne fait donc pas référence à sa couleur, mais bien au fait que l’on ne peut pas la voir, et aussi au fait qu’on ignore sa composition.