Matière sombre : l'océan invisible

C'est une énigme bien entêtante : la matière ordinaire représente moins de 5 % du contenu du cosmos, et plus de 95 % de l'ensemble manque à l'appel. Si I'énergie noire compte pour 70 % de l'Univers, de quoi se compose le reste ? Tout a commencé en 1933. L'astrophysicien américain Fritz Zwicky scrute l'amas de Coma dans la constellation de la Chevelure de Bérénice, à 150 millions d'années-lumière de distance. Cet objet se compose de milliers de galaxies comparables à notre Voie lactée. Et il révèle que leur vitesse de déplacement dans l'amas suggère qu'il y a là cent fois plus de matière que ce que l'on voit. La partie émergée de l'iceberg, en somme. En filigrane, le constat se dessine : les étoiles brillantes, les nuages de gaz et de poussière qui peuplent les galaxies ne sont que de vulgaires débris. Ils flottent à la surface d'un imposant océan, invisible et puissant, qui les ballotte. De même, dans les années 1960-1970, l'étude du mouvement des étoiles au cœur des galaxies semble prouver que celles-ci contiennent cinq à dix fois plus de matière invisible que de matière visible. Pour sauver les apparences, il a donc fallu « inventer » une matière, « noire » ou « sombre », de nature différente de celle que nous connaissons.

Depuis dix ans, on assiste à une amélioration fulgurante de la qualité et de la quantité de données, constatent les scientifiques. D'une part, l'observation de la rotation des galaxies a confirmé la présence d'un halo de matière noire dix fois plus massif que les étoiles. D'autre part, les amas renferment un gaz chaud porté à des millions de degrés. Les mesures en rayons X des satellites Chandra (Nasa) et XMM (Europe) pointent ici vers une quantité de matière noire cent fois plus importante que la matière visible... Enfin, un autre outil a fait ses preuves dernièrement.

Les lentilles gravitationnelles, ces mirages naturels prédits par la relativité, procurent un puissant moyen de sonder la géométrie de l'Univers. En surveillant les effets de microlentilles, on a pu déterminer que la matière noire galactique ne se compose pas d'atomes au sens classique du terme, avec noyau (protons et neutrons) et électrons ! On a baptisé Machos (Massive Halo Compact Objects) ces objets énigmatiques, et les chercheurs ont évalué qu'ils comptaient pour moins de 10 % de la quantité de matière totale qui hante notre galaxie.

Dès lors, de quoi se compose le reste du contenu du cosmos qui ne correspond à aucun noyau atomique ni à aucune particule connue ? Nul ne le sait.

Mais des idées se dessinent. Les physiciens ont déjà un candidat en tête - le neutralino¹ - tout droit issu du monde de la supersymétrie, une extension possible du « modèle standard des particules », dont on recherche les signatures dans les grands accélérateurs. Son interaction avec la matière ordinaire serait très faible. Aujourd'hui, selon les dernières données disponibles, l'Univers qui nous entoure se décompose ainsi :

• 70 % d'énergie noire de nature et de composition inconnues. Elle accélère l'expansion mais ne s'y dilue pas ;
• 25 % de matière noire exotique (neutralinos de la supersymétrie ?) qui se dilue avec l'expansion ;
• 4,5 % de matière ordinaire dont l'essentiel est sombre et ne brille pas. Les étoiles et la matière visible par ses rayonnements ou par son absorption de la lumière comptent pour 0,5 % seulement. Les éléments chimiques lourds tels que le carbone, l'azote, l'oxygène, le silicium et le fer représenteraient 0,03 %. Ce sont les constituants de la Terre et de la vie.
• 0,3 % ou moins encore de matière noire chaude sous forme de neutrinos, abondants mais peu massifs.