Editorial de l'automne 2023: "Matière noire ordinaire  " par Trinh Xuan Thuan

MATIERE NOIRE ET ENERGIE SOMBRE

Trinh Xuan Thuan
Professeur émérite d’Astronomie
Université de Virginie
 
Par une nuit claire, nous avons tous été éblouis par la magnificence du spectacle de milliers de points lumineux brillant de tous leurs éclats, disséminés dans un ciel d’un noir d’encre immaculé qui semble s’étendre à l’infini. Nous avons l’impression que l’univers doit être rempli de matière lumineuse. Et pourtant cette impression est bien trompeuse. C’est en étudiant la lumière des étoiles et des galaxies que les astrophysiciens ont découvert l’envers de la matière lumineuse : la matière noire et l’énergie sombre qui n’émettent aucune sorte de lumière visible. Ils se sont aperçus que cette matière lumineuse ne constitue qu’une minuscule fraction du contenu total en masse et énergie de l’univers, et que nous vivons dans un univers dominé par les ténèbres. Ils ont découvert que nous vivions dans un « univers-iceberg » dont la partie émergée ne constitue qu’une minuscule partie du tout. Mais il existe une différence fondamentale entre l’iceberg et l’univers : nous savons de quoi est faite la masse immergée de l’iceberg, tandis que la nature de la partie invisible reste un fantastique défi pour l’esprit humain.

Comment la matière noire s’est-elle imposée ? Retour en arrière. Pasadena, Californie, 1933. Dans un des bureaux du California Institute of Technologie (ou Caltech, mon alma mater), l’astrophysicien américano-suisse Fritz Zwicky (1898-1974) vérifie et revérifie ses calculs. Il vient d’achever une série d’observations des mouvements des galaxies dans l’amas de Coma, un ensemble de quelques milliers de galaxies liées ensemble par la gravité. Zwicky découvre que ces galaxies se déplacent très vite dans l’amas, à la vitesse d’un millier de kilomètres par seconde. Il fait le bilan de toutes les incertitudes possibles : celles qui sont liées à l’observation ou au manque de données, hypothèses trop simplificatrices, etc. Rien à faire. Il faut se rendre à l’évidence : ces mouvements auraient tôt fait de disperser les galaxies dans l’espace intergalactique, et l’amas de Coma se serait désagrégé et aurait disparu du ciel depuis belle lurette. Or il est toujours là. Nous sommes donc obligés de postuler qu’en dehors de la matière lumineuse des galaxies, il existe une source additionnelle de gravité exercée par une matière noire, de nature inconnue, qui n’émet aucune lumière visible, mais qui aide à retenir les galaxies dans l’amas par la gravité qu’elle exerce. 

Depuis sa découverte, la matière noire n’a pas cessé de hanter la conscience des astrophysiciens. Ils ont découvert qu’elle se manifeste dans toutes les structures connues de l’univers. On la rencontre non seulement dans les amas de galaxies, comme Zwicky l’a démontré, mais aussi dans les chétives galaxies naines et dans les magnifiques galaxies elliptiques et spirales, telle notre Voie lactée. La raison de son omniprésence est toujours la même : la masse noire doit être présente pour que sa gravité puisse empêcher la dislocation de ces majestueuses structures. Par exemple, de même que les galaxies dans les amas se déplacent trop vite pour que ces derniers puissent subsister sans la gravité de la matière noire, les astronomes ont observé que les étoiles et le gaz des galaxies spirales possèdent un mouvement circulaire autour du centre galactique tellement élevé (de plus de 200 km par seconde) que la force centrifuge aurait dû les éjecter, faisant se désagréger les galaxies. Or celles-ci restent intactes et continuent à orner la voûte céleste et à nous ravir de leurs splendeurs. Elles doivent donc contenir de la matière noire qui n’émet aucune sorte de rayonnement, mais qui se manifeste seulement par l’effet de sa gravité, afin que les galaxies ne perdent pas leurs étoiles et ne se disloquent. Pour que galaxies et amas ne se désagrègent pas, on calcule qu’il faut que la masse noire constitue de l’ordre de 31,5% du contenu en masse et énergie de l’univers. La matière lumineuse, celle des centaines de milliards de galaxies, chacune contenant des centaines de milliards d’étoiles, n’en représente que 0.5%. 

Le vertige passé, nous devons nous ressaisir pour essayer d’en savoir plus long sur cette mystérieuse substance noire qui domine l’univers de sa masse. Cerner la nature de la masse noire n’est certes pas chose aisée. Privé de lumière, l’astrophysicien est littéralement … dans le noir ! Par chance, la nature nous fournit un moyen totalement indépendant pour mesurer le contenu en matière ordinaire de l’univers. La matière ordinaire est celle qui est composée de protons, neutrons et électrons. C’est elle qui constitue les choses de la vie, les hommes, les pétales de rose et les tableaux de van Gogh. Pendant les trois premières minutes de son existence, l’univers s’est servi des protons et neutrons dans la soupe primordiale pour fabriquer les noyaux atomiques des trois éléments chimiques les plus légers de l’univers : des noyaux d’hydrogène composés d’un seul proton, des noyaux de deutérium composés d’un proton et d’un neutron et des noyaux d’hélium (le gaz qui fait monter les ballons des enfants haut dans le ciel et qui nous donne une voix nasillarde) composés de deux protons et de deux neutrons. Pour connaître la quantité totale de matière ordinaire que l’univers contient, il suffit donc de mesurer les quantités totales de deutérium et d’hélium relative à celle de l’hydrogène dans les galaxies. La mesure de l’abondance de ces éléments primordiaux, nés dans les premières minutes de l’univers, nous dit que la matière ordinaire constitue en tout et pour tout 5% du contenu de l’univers. 

Avons-nous une idée de ce que peut être cette matière ordinaire ? Nous avons vu que la matière lumineuse dans les étoiles et les galaxies n’en contribue seulement que 0,5%. Les astrophysiciens ont découvert que certains groupes et amas de galaxies contiennent du gaz chaud, chauffé à un million de degrés, qui émet de copieux rayonnements X. De plus, il existe aussi dans l’espace intergalactique de nombreux nuages d’hydrogène et d’hélium considérablement plus froid, avec la température frigorifique de quelque -170 degrés centigrades.  En additionnant le gaz chaud présent dans les groupes et amas, le gaz froid dans l’espace intergalactique, et toute la matière lumineuse des étoiles et des galaxies, nous arrivons bien à un total de l’ordre de 5% de matière ordinaire. 

Matière noire exotique

Mais tout n’est pas bien dans le meilleur du monde. En effet, les mouvements des galaxies au sein des amas et ceux des étoiles au sein des galaxies nous disent que la quantité totale de matière constitue non pas 5% du contenu de l’univers, mais 32% ! Comment réconcilier ces deux observations apparemment contradictoires ? Nous sommes obligés de recourir à une solution radicale : il nous faut postuler que 27% du contenu de l’univers n’est pas constituée de matière ordinaire, celle que nous pouvons détecter avec nos instruments actuels, mais par une nouvelle forme de matière dite « exotique », qui n’a jamais été mise en évidence par nos appareils. Elle n’aurait aucune interaction avec la force électromagnétique, c’est-à-dire qu’elle n’absorberait pas, ni ne réfléchirait, ni n’émettrait la lumière, la rendant « noire » et extrêmement difficile à déceler. Cette matière noire exotique n’existerait ni en vous, ni en moi, ni dans les pots de fleurs, ni dans aucune des choses de la vie. Elle ne participerait pas à l’élaboration de l’hélium et du deutérium, et donc n’influencerait en rien leurs abondances primordiales. 

Quatre-vingt-dix ans après la découverte de Zwicky, nous n’avons toujours aucune idée de la nature précise de cette matière noire exotique. L’astronome suisse avait levé un sacré lièvre ! Pourtant, nous ne sommes pas totalement dans le noir. Nous sommes arrivés malgré tout à cerner certaines propriétés de cette mystérieuse matière. Et cela, en construisant des univers virtuels avec l’aide de puissants ordinateurs. Les astronomes se sont rendus compte que, afin de reproduire la fantastique architecture cosmique – de grands murs de galaxies qui parcourent l’espace sur des distances de centaines de millions d’années-lumière, délimitant des espaces vides tout aussi grands  --  les univers virtuels doivent contenir de la matière exotique sous la forme de particules subatomiques très massives, se déplaçant lentement (on dit que c’est de la matière « froide » car en physique la température est liée au mouvement) et interagissant très faiblement avec la matière ordinaire et aucunement avec la lumière. Les physiciens ont donné à ces particules des noms plus étranges et plus poétiques les uns que les autres : axion, squark, photino, neutralino, zino et autres higgsinos. Elles portent le nom générique de WIMP (en français « mauviette ») qui est l’acronyme de Weakly Interacting Massive Particles, signifiant « particules massives qui interagissent très faiblement ». D’après les théories de grande unification qui tentent de fondre les quatre forces fondamentales de la nature en une seule au début de l’univers, ces particules massives seraient nées dans les premières fractions de seconde après le big bang. Tous les espoirs se sont alors portés sur le LHC (Large Hadron Collider), l’accélérateur de particules au CERN, pour mettre en évidence ces particules mystérieuses. Malheureusement, aucun WIMP n’a jamais été détecté malgré des efforts acharnés pour les traquer. A ce jour, ils n’existent que dans l’imagination débridée des physiciens. 

Energie sombre : un univers en accélération

La matière noire exotique ne constitue pas la seule grande énigme du contenu de l’univers. Les astrophysiciens pensent aujourd’hui que l’univers est aussi rempli d’une mystérieuse « énergie sombre » qui remplit l’espace et constitue environ 68% de son contenu en masse et énergie. Cette énergie sombre (ou noire) s’est imposée de façon inattendue à la conscience des astronomes à cause d’une découverte extraordinaire à la fin du siècle dernier : l’accélération de l’univers.

Dans les années 1990, deux équipes internationales d’astronomes -- une menée par l’Américain Saul Perlmutter (1959--) du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, et l’autre par l’Australien Brian Schmidt (1967--) et l’Américain Adam Riess (1969--) à la Australian National University à Canberra, Australie -- ont entrepris de mesurer la décélération de l’expansion de l’univers. Ils avaient l’intention de mesurer la quantité totale de matière dans l’univers, qu’elle soit ordinaire ou exotique. Le raisonnement était le suivant : l’évolution de l’univers dépend de l’issue du combat titanesque entre la force d’expansion primordiale et la force de gravité exercée par tout son contenu matériel. Parce que cette force est attractive, elle doit ralentir l’expansion de l’univers. En d’autres termes, l’univers doit décélérer. Plus la masse (ou la densité) de l’univers est élevée, plus la gravité qu’elle exerce est grande, et plus la décélération sera importante. Une mesure précise de taux de décélération de l’univers peut donc nous donner, en principe, une mesure du contenu matériel total de l’univers. 

Mais comment mesurer la décélération de l’univers ? Si nous voulons mesurer celle de notre voiture quand nous appuyons sur le frein, il nous suffit de mesurer sa vitesse à deux instants différents. La décélération est ensuite obtenue en divisant la différence des vitesses par l’intervalle de temps qui sépare les deux instants. De même pour mesurer la décélération de l’univers, l’astrophysicien doit mesurer la vitesse d’expansion universelle à plusieurs époques différentes. Bien sûr, les cent ans d’une vie humaine est un laps de temps bien trop court pour que la décélération de l’univers soit perceptible et mesurable. Il nous faut observer la décroissance de la vitesse d’expansion de l’univers sur un intervalle de temps qui s’étend au moins sur plusieurs milliards d’années. Il nous faut donc remonter le temps aussi loin que possible dans le passé de l’univers.

Comment voyager dans le temps ? Nous avons recours aux machines à remonter le temps que sont les télescopes, et appliquons la recette « voir loin, c’est voir tôt. » Pour obtenir la vitesse d’expansion de l’univers à différents instants de son existence, il nous suffit de mesurer la vitesse de fuite d’objets célestes à des distances différentes de la Terre. La vitesse de fuite d’objets distants nous donne la vitesse d’expansion de l’univers dans sa jeunesse tandis que celle d’objets proches nous renseigne sur sa vitesse d’expansion actuelle. Si l’univers est en décélération, la seconde doit être inférieure à la première. Quels objets célestes choisir pour nous servir de balises et nous permettre de mesurer l’évolution de la vitesse d’expansion de l’univers en fonction du temps ? Les chercheurs ont utilisé les supernovas dites de type 1a. Ces supernovas sont de violentes explosions thermonucléaires d’étoiles mortes appelées « naines blanches ». Parce qu’elles explosent avec à peu près la même énergie et sont extrêmement brillantes, les astronomes peuvent les observer à de très grandes distances et comparer la vitesse d’expansion de l’univers dans le passé avec celle d’aujourd’hui.

En 1998, après avoir mesuré la distance d’une cinquantaine de supernovas et la vitesse d’expansion de l’univers à cette distance-là, les deux équipes sont parvenues indépendamment à une découverte extraordinaire qui a sonné comme un coup de tonnerre dans le ciel serein de l’astrophysique. Elle a pris de court toute la communauté astronomique (ou presque) : l’univers a bien été en décélération, mais seulement pendant les 8 premiers milliards d’années de son existence. A partir du 9eme milliard d’années, l’expansion de l’univers n’a plus continué à décélérer. Au contraire, elle a accéléré. Le mouvement d’expansion de l’univers est donc analogue à celui de votre voiture quand vous vous arrêtez à un feu rouge. Vous appuyez sur votre frein pour décélérer et stopper la voiture au feu. Quand le feu repasse au vert, vous appuyez sur l’accélérateur afin de repartir. Comme pour l’univers, le mouvement de décélération a été suivi par un mouvement d’accélération. Le prix Nobel de physique a été attribué à Perlmutter, Schmidt and Riess en 2011 pour leur extraordinaire découverte.

Comment l’univers a-t-il pu ainsi changer de vitesse d’expansion ?  S’il contenait seulement de la matière, qu’elle soit ordinaire ou exotique, celle-ci exercerait inévitablement une gravité attractive et l’univers devrait toujours décélérer. Pour qu’il accélère, force est de postuler l’existence de quelque chose de totalement différent de la matière et de la lumière. Quelque chose qui pourrait être un mystérieux champ d’énergie baignant l’univers tout entier et qui exercerait une force répulsive, supérieure à la force attractive de la matière. Or une telle force répulsive a été précisément introduite en 1917 par Einstein dans ses équations de la relativité générale, sous le nom de « constante cosmologique ». Le physicien voulait utiliser sa chère théorie pour construire le modèle mathématique d’un univers statique, c’est-à-dire sans expansion, modèle favorisé par les observations astronomiques de l’époque. Dans cet univers statique, la force répulsive neutraliserait exactement la force de gravité attractive exercée par la matière. Mais, en 1929, Edwin Hubble annonce sa découverte de l’expansion de l’univers, rendant caduc l’univers statique. Einstein supprime la constante cosmologique de ses équations tout en déclarant que son introduction fut « la plus grande erreur de sa vie ». 

Mais la découverte de l’accélération de l’univers à la fin du siècle dernier a ressuscité la constante cosmologique du monde des concepts morts. Les astrophysiciens pensent aujourd’hui que la force de répulsion est due à une « énergie sombre » liée à cette constante cosmologique. Elle est qualifiée de « sombre » pour rappeler que, comme pour la matière noire exotique, sa nature demeure totalement mystérieuse. Les calculs montrent que, pour reproduire l’accélération universelle observée à partir de 9 milliards d’années après le Big Bang, l’énergie noire doit contribuer environ 68% du contenu en masse et énergie de l’univers, soit plus du double de son contenu en matière ! Constater que la plus grande partie de la matière de notre univers est noire a été déjà une découverte des plus étonnantes. Mais constater que l’espace entier est baigné d’une énergie sombre dont la nature nous échappe entièrement, voilà qui est encore plus fantastique ! 

Une question se pose : pourquoi l’accélération universelle ne s’est-elle manifestée qu’environ 9 milliards d’années après le big bang ? Pourquoi l’énergie sombre ne s’est-elle pas manifestée plus tôt ? En fait, la force répulsive due à l’énergie noire a toujours été présente, tapie dans l’ombre. Mais pendant les 8 premiers milliards d’années de l’histoire de l’univers, elle a été trop faible pour lutter contre la gigantesque force de gravité attractive exercée par la matière (ordinaire et exotique) de l’univers. C’est la force attractive qui mène le bal, et elle décélère l’expansion de l’univers. Le temps joue néanmoins en la faveur de la force répulsive. Au fur et à mesure que s’égrènent les milliards d’années, l’univers devient moins dense, les distances entre les galaxies augmentent, et la force de gravité attractive qui varie comme l’inverse du carré de la distance entre les galaxies diminue en intensité. En revanche, l’intensité de la force répulsive ne diminue pas mais demeure constante. Au fil du temps, la force répulsive prend ainsi de plus en plus d’importance par rapport à la force attractive. La passation des pouvoirs a lieu quand 9 milliards d’années se sont écoulées. La force répulsive prend le dessus, elle assume le contrôle des affaires et va dorénavant accélérer l’expansion universelle. 

Avec la force répulsive de l’énergie sombre l’univers connaîtra une expansion éternelle. Il continuera à se diluer et à se refroidir de plus en plus jusqu’à atteindre des températures proches du zéro absolu (-273°C). Il terminera sa vie dans une obscurité glaciale. On appelle ce scénario le « Big Chill » ou « Grand Refroidissement ». Quand l’horloge cosmique sonnera quelque 2 000 milliards d’années, soit environ cent fois l’âge actuel de l’univers, les centaines de milliards de galaxies aujourd’hui accessibles à nos télescopes se seront tellement éloignées que nous ne pourrons plus les voir. Les études astronomiques que nos descendants pourront alors entreprendre seront extrêmement limitées, tellement il y aura peu d’objets à observer dans le ciel. J’ai bien de la chance de vivre à une époque de l’histoire cosmique où je peux encore exercer mon métier d’astronome, où je peux encore contempler avec de puissants télescopes un ciel noir rempli de centaines de milliards de galaxies. 

L’essentiel est invisible pour les yeux

En tout cas, la matière noire et l’énergie noire sont là pour rester. Les astronomes se pressent pour construire des télescopes sophistiqués au sol et dans l’espace pour percer leur mystère. Ainsi le télescope spatial Euclid qui vient d’être mis en orbite par l’ESA en juillet 2023, photographiera des milliards de galaxies jusqu’à une distance de 10 milliards d’années-lumière, sur plus d’un tiers du ciel, ce qui permettra aux scientifiques de mesurer avec précision l’histoire de l’expansion de l’univers et de tester la relativité générale d’Einstein à l’échelle cosmique. 

En attendant, l’univers nous a bien remis à notre place. Il nous a donné une belle leçon de modestie : malgré tout notre savoir, malgré tous les progrès accomplis, nous ne connaissons que 5% du contenu en masse et énergie du cosmos. La nature des 95 % restant (27% de matière noire + 68% d’énergie sombre) nous échappe encore entièrement ! Le renard de Saint-Exupéry ne croyait pas si bien dire quand il confiait au Petit Prince : « L’essentiel est invisible pour les yeux ». 
 
 

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