Peut-on être convaincu de l’existence de quelque chose d’invisible et d’inconnu ?

C’est le cas des cosmologistes, qui, ces dernières années, ont du se résoudre à accepter que 95% de l’Univers leur demeure obscur et mystérieux. Une énergie sombre qui serait une propriété intrinsèque de l’espace-temps et qui contribuerai à hauteur de 70% de sa densité, puis la matière… Mais voilà, sur les 30% restant, seulement 5% de cette matière nous est connu sous la forme de ce que l’on appelle la matière baryonique, constituée de neutrons, de protons et d’électrons… Le reste est constitué d’une étrange substance qui n’émet pas de lumière, n’interagit pas non plus avec cette dernière et dont la présence ne se trahit que par rapport à son influence gravitationnelle : la matière noire.

Si les astronomes ont mis du temps à se rendre compte de son importance, l’hypothèse de ce type de matière remonte aux années 30. En observant l’amas de galaxies Coma situé à environ 150 millions d’années-lumière à l’aide du télescope du Mont Wilson, l’astronome suisse Fritz Zwicky remarque que la vitesse des galaxies qui le compose est dix fois plus importante que prévue. Il en déduit alors que l’amas de galaxies est bien plus massif mais que tel un gigantesque iceberg, il ne laisse apparaître qu’une fraction de sa masse, l’essentiel demeurant obscur…

Elle influence aussi par exemple la vitesse de rotation des étoiles dans les galaxies. Alors que leur vitesse devrait décroître au fur et à mesure que l’on s’éloigne du centre, elle est constante dans tout le disque galactique. C’est donc là l’indice qu’il existe un halo de matière noire tout autour qui contribue à accélérer le mouvement des étoiles.

Depuis cette époque, les cosmologistes ont dû se rendre à l’évidence : la matière noire est présente dans tout l’Univers et à toutes les échelles.

Tout d’abord, il est important de préciser que lorsqu’on parle de matière noire, on parle réellement de matière. C’est quelque chose qui est donc sensible à la gravité et dont la densité décroit avec l’expansion. Ainsi, lorsque l’Univers était plus petit, la matière noire dominait du fait de sa densité plus élevée et ralentissait l’expansion. L’Univers devenant plus vaste par la suite, la matière noire s’est diluée, laissant l’énergie sombre guider le destin de l’Univers. Aux origines, la matière noire a dû donc avoir un rôle particulièrement essentiel et l’étude des fluctuations de densité du Rayonnement de Fond Cosmologique (RFC) va dans ce sens.

Après la Recombinaison, 380 000 ans après le Big Bang, les photons du RFC perdent progressivement leur énergie et l’Univers entre alors dans une période d’obscurité qu’on appelle les Âges Sombres. 400 à 500 millions d’années plus tard, les premiers astres apparaissent, embrasant le cosmos de leur intense rayonnement UV. C’est la Réionisation. Et il faudra encore quelques 500 millions d’années pour que ces astres constituent les premières galaxies massives.

Mais si les étoiles naissent aujourd’hui de l’effondrement gravitationnel d’immenses nuages de gaz, ce processus est cependant trop lent pour expliquer comment des étoiles se sont formées avant la Réionisation. En fait, même les fluctuations du RFC (traduisant la différence de densité de la matière de l’époque) apparaissent trop petites pour justifier qu’avec l’expansion les étoiles et les galaxies soient apparues aussi tôt dans l’histoire de l’Univers. C’est donc tout naturellement que la matière noire s’est imposée comme la clé du mécanisme de formation des premières structures de l’Univers.

Insensible aux photons, la matière noire aurait eu à l’époque tout le loisir de se condenser en des zones extrêmement denses. Elle aurait ainsi par ses effets gravitationnels permit d’attirer de gigantesques quantités de matière ordinaire, qui, en s’effondrant dans ces sortes de puits gravitationnels auraient formé les premières étoiles.

A ce jour, cette toute première génération n’a pas encore été observée. Mais l’on suppose que ces étoiles devaient être bien plus massives et lumineuses que leurs consœurs actuelles : plusieurs centaines de masses solaire, brillantes comme 1 million de Soleils, aux cœurs extrêmement chauds et à la température de surface de plus de 1 million de degrés !

Certains vont même plus loin et estiment que leur existence a été sûrement aussi intiment liée à la matière ordinaire qu’à la matière noire, n’hésitant pas à évoquer la possibilité que la matière noire ait pu leur servir de source d’énergie.

Quelle serait donc alors la nature de cette matière mystérieuse ?

Il faut pour cela faire appel à la physique des particules et plus particulièrement aux extensions théoriques du modèle standard pour spéculer du meilleur candidat. Ces dernières années, le neutralino semble être au cœur de l’attention des chercheurs. Stable, bien plus massive que le proton et n’interagissant que très faiblement avec son environnement, cette particule théorique est de fait un excellent candidat pour la matière noire. Étant de plus sa propre antiparticule, elle s’annihile en présence d’un autre neutralino, entraînant l’émission de photons. Ce serait ce mécanisme qui pourrait être la source d’énergie et de chaleur des « étoiles noires » primordiales. Mais si l’idée a fini par s’imposer, le neutralino échappe toujours à toute tentative de détection.

La quête de l’identité de la matière noire est donc aujourd’hui bien loin d’être aboutie…