Elles sont la part sombre de l’Univers et… de notre savoir. Matière noire et énergie noire constituent 95 % du cosmos, influent la rotation des galaxies et l’expansion de l’Univers, mais elles sont invisibles et nous ignorons de quoi elles sont faites. Les télescopes spatiaux tels Euclid tentent de percer leurs mystères.

Un mystère qui remonte au Big Bang

Selon la théorie du Big Bang, notre Univers s’est déployé lors d’une formidable poussée d’énergie et, depuis, il continue de s’étendre. Cette théorie est la plus crédible à ce jour, mais elle conserve de sérieuses inconnues. Elle suppose notamment la présence de matière et d’énergie que l’on ne sait pas voir. En résumé, la plus grande partie de l’Univers est invisible à nos yeux !

Des composants invisibles inclus dans le modèle du Big Bang

La théorie du Big Bang est admise par la majorité des astronomes, car elle correspond aux observations. Mais pour que ce modèle fonctionne, il suppose l’existence d’une matière noire froide (Cold Dark Matter, CDM en anglais) interagissant faiblement avec la matière ordinaire, celle qui compose tous les corps qui nous entourent, qu’ils soient solides, gazeux ou liquides.

Le modèle du Big Bang intègre également la présence d’une énergie noire, responsable de l’expansion de l’Univers, sous la forme d’une constante mathématique (une valeur donnée) appelée Lambda. Aussi, ce modèle cosmologique standard est connu sous le nom de « modèle Lambda CDM » (modèle ΛCDM).

On estime que l’Univers est composé à environ 5 % seulement de matière ordinaire sous forme d’étoiles, de gaz, de poussières, puis à 25 % de matière noire et 70 % d’énergie noire, appelée aussi énergie sombre.

Autrement dit, l’Univers abrite 5 à 7 fois plus de matière noire que de matière ordinaire !

Des anomalies comme indices de la matière noire

Comment détecter cette matière invisible ? En observant le ciel, des astronomes ont repéré des anomalies que les modèles cosmologiques existants ne suffisaient pas à expliquer. Ces indices ont mis les chercheurs sur la piste de l’Univers invisible.
 

Des étoiles qui tournent trop vite

Mais de quelles anomalies parle-t-on ? Pour le comprendre, il faut remonter à 1933. L’astronome suisse Fritz Zwicky étudie les mouvements d’un groupe de galaxies. Il constate alors que les vitesses orbitales des étoiles (à laquelle elles tournent autour du centre de la galaxie) sont trop élevées par rapport aux masses présentes. Or, les principes de la physique sont clairs : pour ne pas être éjectés de l’amas, les astres éloignés de son centre devraient ralentir.
 

La masse manquante

En effet, selon les lois de la gravitation, plus la distance par rapport au centre de la galaxie grandit, plus la gravitation faiblit ; l’attraction du noyau n’est plus suffisamment forte pour compenser la force centrifuge qui tire l’objet loin du centre de rotation. Cet effet s’expérimente lorsque l’on tourne trop vite sur un tourniquet et que l’on se sent entraîné vers l’extérieur.

Selon les observations de Fritz Zwicky, ça tourne trop vite. Pour lui, pas de doute : il existe une masse cachée dont l’attraction gravitationnelle maintient les galaxies dans l’amas ! Mais personne ne l’écoute…

Une matière présente partout ?

Dans les années 1970, l’Américaine Vera Rubin donne raison à Fritz Zwicky. Elle mesure la vitesse de rotation d’étoiles situées en bordure d’une dizaine de galaxies et constate également que ces vitesses, qui devraient logiquement diminuer, restent fortes et constantes. Sa théorie : un halo de matière présent en périphérie se diffuse partout dans la galaxie. Il stabilise la vitesse des étoiles, quelle que soit leur position par rapport au centre de la galaxie.

L’énergie noire, la force qui accélère l’Univers

Depuis 13,8 milliards d’années, l’énergie générée par le Big Bang devrait s’atténuer ou se stabiliser et l’Univers ralentir sa course. Or, au contraire, les galaxies s’éloignent les unes des autres, toujours plus vite. D’où l’idée qu’il existerait une force qui continue de « pousser » les éléments célestes et même de précipiter leur mouvement : l’énergie noire.

Des télescopes spatiaux pour détecter l’invisible

La matière noire n’interagit pas – ou très peu – avec la matière ordinaire ; elle est insensible aux ondes lumineuses ou radio. Mais elle est sensible à la gravité. Pour repérer sa présence, les télescopes traquent les effets indirects dus à son attraction.
 

Chasseurs de mirage gravitationnel

Selon la théorie de la gravitation développée par Albert Einstein, les objets massifs déforment l’espace-temps. L’Univers se courbe aux endroits où il y a beaucoup de matière. De ce fait, la lumière qui nous provient d’une galaxie est déviée par toute la matière, visible ou invisible, qui se trouve sur son chemin.

On constate le même phénomène lorsque l’on pose une bille sur un tissu tendu : le tissu se creuse sous sa masse. Si l’on jette un grain rond vers la bille, celui-ci suivra une trajectoire non pas droite, mais courbe, détournée par la déformation du tissu.

Cet effet, nommé mirage gravitationnel, ou lentille gravitationnelle, permet à partir de la déviation observée de mesurer la masse de l’objet qui en est responsable. Lorsque les masses détectables n’expliquent pas seules l’ampleur de la déformation, on déduit que la masse manquante est celle de matière noire.

Cartographier la matière noire

Depuis la Terre et dans l’espace, de puissants télescopes cartographient les galaxies et détaillent leur forme ainsi que leur distance en s’appuyant sur les images de lentilles gravitationnelles. Ces mesures permettent aux astrophysiciens d’évaluer les masses en jeu et de dresser une cartographie de la distribution de la matière noire dans l’Univers.

Les images du télescope spatial international James Webb (NASA, ESA, ASC), lancé en 2021, ont notamment dessiné des alignements de galaxies agglutinées le long de filaments autour desquels semble régner le vide. Cette organisation en réseau de filaments, qu’on appelle « toile cosmique », est due à l’attraction gravitationnelle de la matière noire.

Euclid, sur la trace de l’énergie noire

En 2023, le télescope spatial européen Euclid, dont le CNES est partie prenante, a été lancé avec pour mission de lever le voile sur ces composants de l’Univers sombre. Pour y parvenir, Euclid réalise des mesures extrêmement fines, sur un vaste pan de ciel. Son instrument imageur (VIS) capte l’image et la forme des galaxies tandis que son spectromètre proche de l’infrarouge (NISP) mesure très finement la distance qui le sépare des galaxies observées, et donc leur âge.

Combinées, l’ensemble des mesures d’Euclid dresse une carte en 3D de l’Univers aux différentes étapes de son histoire et révèle la quantité d’énergie qu’il a fallu pour le pousser et l’agrandir tout au long sa vie. On est ainsi capable de mesurer la vitesse d’expansion à différents moments, et donc de déduire l’énergie noire !

La matière noire pour répondre aux grandes questions de l’Univers ?

L’existence de la matière noire semble l’explication la plus crédible à l’organisation de l’Univers. Sans elle, la matière visible se serait dispersée sans jamais donner naissance aux étoiles, les galaxies se seraient délitées.

De même, l’énergie noire contribue à structurer l’Univers en agissant sur la distribution de toute la matière, qu’elle soit visible ou sombre.

Mais nous ignorons toujours de quoi sont composés ces éléments. Sont-ils réellement présents dans les quantités estimées jusqu’alors ? Quelle est la puissance de l’énergie noire ?

Les données fournies par Euclid, combinées aux autres observations spatiales et terrestres devraient affiner les calculs et confirmer ou… infirmer le modèle dominant Lambda Cold Dark Matter (modèle ΛCDM).

Prédire l’avenir cosmique

Connaître la quantité de matière et d’énergie noires aidera aussi à estimer comment pourrait évoluer Univers : s’arrêtera-t-il de grandir s’il contient davantage de matière et moins d’énergie ? Se stabilisera-t-il ou risque-t-il de se recontracter sur lui-même ?

Une question qui n’a pas fini de tarauder les scientifiques.