Matière noire, par sa nature même, est invisible. On ne peut pas l'observer avec des télescopes, et les physiciens des particules n'ont pas non plus eu de chance de le détecter via des expériences.

Alors pourquoi moi et des milliers de mes collègues pensons que la majeure partie de la masse de l'univers est composée de matière noire, plutôt que la matière conventionnelle qui comprend les étoiles, planètes, et tous les autres objets visibles dans nos cieux ?

Pour répondre à cette question, vous devez comprendre ce que la matière noire peut et ne peut pas faire, comprendre où dans l'univers il se cache, et réalisez que "sombre" n'est que le début du puzzle.

Influence invisible

Notre histoire de matière noire commence par la vitesse et la gravité. Dans tout le cosmos, nous voyons des objets se déplacer sur des orbites sous l'influence de la gravité. Tout comme la Terre tourne autour du Soleil, le Soleil tourne autour du centre de notre galaxie.

La vitesse requise pour maintenir un corps céleste en orbite est fonction de la masse et de la distance. Par exemple, dans notre système solaire, La Terre se déplace à 30 km par seconde, alors que les planètes les plus lointaines traînent à plusieurs kilomètres par seconde.

Notre galaxie est incroyablement massive, donc le Soleil orbite à 230 km par seconde alors qu'il a 26 ans, 700 années-lumière du centre de notre galaxie. Cependant, à mesure que nous nous éloignons du centre de la galaxie, les vitesses orbitales des étoiles restent à peu près constantes. Pourquoi?

Contrairement à notre système solaire, dont la masse est dominée par le Soleil, la masse de notre galaxie est répartie sur des milliers d'années-lumière. Au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre galactique, les étoiles et le gaz enfermés dans ce rayon augmentent. Cette masse supplémentaire peut-elle expliquer les grandes vitesses des étoiles les plus éloignées de notre galaxie ? Pas assez.

Dans les années 1960, l'astronome américaine pionnière Vera Rubin a mesuré les vitesses orbitales dans la galaxie d'Andromède (la galaxie voisine de la Voie lactée) à des distances de 70, 000 années-lumière du noyau de cette galaxie. Remarquablement, bien que cette distance soit bien au-delà de la masse des étoiles et du gaz d'Andromède, la vitesse orbitale est restée proche de 250 km/s.

Ce phénomène n'est pas non plus propre aux galaxies individuelles. Dans les années 30, L'astronome américano-suisse Fritz Zwicky a découvert que les galaxies en orbite au sein des amas de galaxies se déplaçaient beaucoup plus rapidement que prévu.

Ce qui se passe? Une possibilité est qu'une grande quantité de masse invisible s'étend au-delà des étoiles et du gaz. C'est de la matière noire.

En effet, l'oeuvre de Zwicky, Rubin et les générations suivantes d'astronomes indiquent qu'il y a plus de matière noire dans l'univers que de matière conventionnelle. (En ce qui concerne l'énergie noire, c'est une toute autre histoire.)

Remarquablement, notre incapacité à voir ou à détecter la matière noire fournit des indices sur son comportement. Il doit avoir peu d'interactions avec lui-même et la matière conventionnelle en dehors de la force de gravité, sinon nous l'aurions détecté émettant de la lumière et interagissant avec d'autres particules.

Comme la matière noire interagit principalement via la gravité seule, il a des propriétés curieuses. Un nuage de gaz chaud dans l'espace peut perdre de l'énergie en émettant de la lumière, et ainsi se refroidir. Un nuage de gaz suffisamment massif et froid peut s'effondrer sous sa propre gravité pour former des étoiles.

Par contre, la matière noire ne peut pas perdre de l'énergie en émettant de la lumière. Ainsi, alors que la matière conventionnelle peut s'effondrer en objets denses comme les étoiles et les planètes, la matière noire reste plus diffuse.

Ceci explique une apparente contradiction. Alors que la matière noire peut dominer la masse de l'univers, nous ne pensons pas qu'il y en ait beaucoup dans notre système solaire.

Succès de la simulation

Comme le mouvement de la matière noire est dominé uniquement par la gravité, il est également relativement facile à modéliser analytiquement et dans des simulations.

Depuis les années 1970, nous avons des formules pour le nombre de structures de matière noire, qui arrivent aussi à prédire le nombre de galaxies massives et d'amas de galaxies. Par ailleurs, les simulations peuvent modéliser l'accumulation de structures à travers l'histoire de l'univers. Le paradigme de la matière noire ne s'adapte pas seulement aux données, il a un pouvoir prédictif.

Existe-t-il une alternative à la matière noire ? Nous déduisons sa présence en utilisant la gravité, mais que se passe-t-il si notre compréhension de la gravité est erronée ? Peut-être que la gravité est plus forte à de grandes distances qu'on ne le pense.

Il existe plusieurs théories alternatives de la gravité, la dynamique newtonienne modifiée (MoND) de Mordehai Milgrom étant l'exemple le plus connu.

Comment distinguer la matière noire de la gravité modifiée ? Bien, dans la plupart des théories, la gravité tire vers la masse. Ainsi, s'il n'y a pas de matière noire, la gravité tire vers la matière conventionnelle, alors que si la matière noire domine, la gravité tirera principalement vers la matière noire.

Il devrait donc être facile de dire quelle théorie est juste, droit? Pas exactement, comme la matière noire et la matière conventionnelle se succèdent grosso modo. Mais il y a quelques exceptions utiles.

Brisez ensemble des nuages ​​de gaz et de matière noire et quelque chose de merveilleux se produit. Le gaz entre en collision pour former un seul nuage, tandis que les particules de matière noire continuent de se déplacer sous l'influence de la gravité. Cela se produit lorsque des amas de galaxies entrent en collision les uns avec les autres à grande vitesse.

Comment mesurons-nous l'attraction de la gravité dans les amas de galaxies en collision ? Bien, la gravité tire non seulement sur la masse mais aussi sur la lumière, des images déformées de galaxies peuvent donc retracer l'attraction gravitationnelle. Et dans les amas de galaxies en collision, la gravité tire vers l'endroit où la matière noire devrait être, pas vers la matière conventionnelle.

Ondulations dans le temps

Nous pouvons voir l'influence de la matière noire non seulement aujourd'hui mais dans un passé lointain, retour au Big Bang.

Le fond cosmique des micro-ondes, la rémanence du Big Bang, peut être vu dans toutes les directions. Et dans cette boule de feu, nous pouvons voir des ondulations, le résultat des ondes sonores traversant le gaz ionisé.

Ces ondes sonores résultent du jeu de la gravité, pression et température dans l'univers primitif. La matière noire contribue à la gravité, mais ne réagit pas à la température et à la pression comme la matière conventionnelle, la force des ondes sonores dépend donc du rapport entre la matière conventionnelle et la matière noire.

Comme prévu, les mesures de ces ondulations prises par les satellites et les observatoires au sol révèlent qu'il y a plus de matière noire que de matière conventionnelle dans notre univers.

Alors l'affaire est-elle close ? La matière noire est-elle définitivement la réponse ? La plupart des astronomes diraient que la matière noire est l'explication la plus simple et la meilleure pour de nombreux phénomènes que nous voyons dans l'univers. Bien qu'il existe des problèmes potentiels pour les modèles de matière noire les plus simples, comme le nombre de petites galaxies satellites, ce sont des problèmes intéressants plutôt que des défauts convaincants.

Mais il n'en reste pas moins que nous n'avons pas encore détecté directement la matière noire. Cela ne me dérange pas particulièrement, car la physique a une histoire de particules qu'il a fallu des décennies pour détecter directement. Si nous ne l'avons pas détecté dans 20 ans, je pourrais être inquiet, mais pour l'instant je parie que la matière noire est la vraie affaire.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.