Introduction
La matière noire constitue l'un des plus grands mystères de la cosmologie moderne. Bien qu'invisible et insaisissable, elle représenterait environ 85% de toute la matière de l'Univers. Sa découverte conceptuelle a révolutionné notre compréhension de la structure et de l'évolution du cosmos, remettant en cause le modèle standard de la physique des particules. Elle est essentielle pour expliquer la cohésion des galaxies, la formation des grandes structures cosmiques et le fond diffus cosmologique.
Description
La matière noire est une substance hypothétique dont l'existence est postulée pour expliquer des anomalies gravitationnelles observées à différentes échelles cosmiques. Contrairement à la matière baryonique (étoiles, planètes, gaz), elle n'interagit pas avec le rayonnement électromagnétique, ce qui la rend indétectable par les moyens d'observation traditionnels. Sa présence se manifeste uniquement par son influence gravitationnelle : elle courbe l'espace-temps et attire la matière visible. Les preuves les plus convaincantes incluent les vitesses de rotation des étoiles dans les galaxies spirales, qui restent constantes loin du centre galactique au lieu de diminuer, indiquant la présence d'un halo massif et invisible. Les observations des lentilles gravitationnelles (où la lumière d'objets lointains est déformée par la masse d'un amas de galaxies) révèlent bien plus de masse que ce qui est visible. Enfin, les simulations de la formation des grandes structures de l'Univers ne correspondent aux observations qu'en incluant une quantité massive de matière froide (se déplaçant lentement) et non-interactive.
Histoire
L'histoire de la matière noire débute dans les années 1930 avec l'astronome suisse Fritz Zwicky. En étudiant l'amas de galaxies de la Chevelure de Bérénice, il calcula la masse dynamique de l'amas à partir des vitesses des galaxies et la compara à la masse lumineuse estimée. Il découvrit un écart colossal, qu'il attribua à de la 'matière sombre' (dunkle Materie). Ses travaux furent largement ignorés pendant des décennies. Dans les années 1970, l'astronome Vera Rubin et ses collaborateurs fournirent des preuves solides et systématiques en analysant les courbes de rotation de galaxies spirales, confirmant le déficit de masse visible. Le terme 'matière noire' (dark matter) s'imposa alors. Les années 1980 et 1990 virent l'émergence du modèle cosmologique standard ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), qui intègre la matière noire froide et l'énergie sombre comme piliers explicatifs de la structure et de l'expansion accélérée de l'Univers. Depuis, de nombreuses expériences (comme XENON, LUX, et l'observatoire IceCube) tentent en vain de détecter directement des particules de matière noire.
Caracteristiques
Les propriétés de la matière noire sont déduites de ses effets cosmologiques. Elle est dite 'froide' (Cold Dark Matter ou CDM), signifiant que ses particules constitutives se déplacent à des vitesses non relativistes, permettant la formation hiérarchique des structures (des petites aux grandes). Elle est 'non-baryonique', c'est-à-dire qu'elle n'est pas composée de protons et de neutrons. Elle est électriquement neutre et n'interagit pratiquement pas avec la matière ordinaire via les forces nucléaires forte ou faible (ou alors très faiblement, d'où le modèle WIMP : Weakly Interacting Massive Particles). Elle est stable à l'échelle cosmologique, ne se désintégrant pas en d'autres particules. Les candidats théoriques les plus étudiés sont les WIMPs, les axions (particules très légères postulées pour résoudre un problème en physique des particules) et les MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, comme les trous noirs primordiaux, dont le rôle est aujourd'hui considéré comme marginal).
Importance
L'importance de la matière noire est fondamentale en cosmologie et en physique fondamentale. Elle est le 'ciment gravitationnel' de l'Univers, expliquant pourquoi les galaxies ne se disloquent pas sous l'effet de leur rotation. Elle a guidé la formation des galaxies et des amas en agissant comme un squelette gravitationnel sur lequel la matière baryonique a pu s'effondrer et se condenser après le Big Bang. Son existence est une preuve directe que la physique au-delà du Modèle Standard est nécessaire. Sa découverte (ou son éventuelle réfutation) aurait des implications profondes, potentiellement unifiant la cosmologie et la physique des particules. Enfin, comprendre sa nature est crucial pour prédire le destin ultime de l'Univers, car sa quantité et ses propriétés influencent directement le taux d'expansion cosmique et la géométrie de l'espace-temps.
