Durant près de 150 ans, les scientifiques ont su que quelque chose se dissimulait dans l’obscurité de l’univers. Une entité immatérielle qui constitue pourtant la substance dominante de l’univers. Cette matière noire pourrait représenter plus d’un quart de ce qui compose l’univers, tandis que sa cousine, l’énergie noire, compose presque 70% de l’univers.
Malgré sa prévalence, les scientifiques ne sont toujours pas parvenus à observer la matière noire directement. Elle ne semble pas interagir avec les forces électromagnétiques, ce qui la rend difficile à détecter. Cela ne signifie pas pour autant que les scientifiques n’ont pas établi de théorie pour expliquer ce mystère invisible.
Durant des décennies, de nombreux candidats à la matière grise ont été proposés, des trous noirs microscopiques aux gigantesques étoiles n’émettant pas de lumière. Si certains ont été écartés, d’autres restent au premier plan des recherches actuelles.
De manière générale, les scientifiques ont trois critères de bases pour sélectionner les meilleurs candidats à la matière noire. Tout d’abord, ceux-ci doivent logiquement compléter ce que l’on connait du big bang et de l’histoire de l’univers. Ensuite, ils doivent être suffisamment discrets ou individuels afin d’être bien définis seuls. Et enfin, leur théorie sous-jacente doit faire sens au-delà du fait d’expliquer simplement la matière noire.
Voici nos cinq favoris historiques comme candidats à la matière noire et la façon dont ils s’articulent autour de ces critères.
1. Les WIMP
Les Weakly Interacting Massive Particles ou WIMP (Particules Massives Interagissant Faiblement) sont une classe de particules élémentaires théoriques qui interagissent avec la gravité et la faible force nucléaire, mais pas l’électromagnétisme ou la forte force nucléaire. Les WIMP devraient être suffisamment grandes pour se déplacer lentement et n’interagir qu’avec les deux forces les plus faibles, ce qui le rendrait indétectable aux moyens électromagnétiques. Malgré des décennies de recherches, les WIMP demeurent élusives.
2. Les MACHO
Les Massive Compact Halo Objects (MACHO) sont des objets situés dans les confins les plus éloignés des galaxies, tellement éloignés qu’ils sont au-delà d’une galaxie visible tout en demeurant pris dans son système gravitationnel. Il pourrait s’agir de planètes n’orbitant pas autour d’étoiles, des naines brunes sombres, des trous noirs et des étoiles à neutrons.
Si les MACHO existent presque certainement, ils ne peuvent représenter suffisamment de matière noire pour en être l’unique cause. Ils entrent également en conflit avec ce que nous savons de l’histoire de l’univers, principalement parce que le big bang n’aurait pu produire suffisamment de matière pour créer autant de MACHO.
3. Les trous noirs primordiaux
Les trous noirs primordiaux sont les premiers trous noirs de l’univers, formés peu après le big bang. Plutôt que de provenir de la compression d’une supernova, comme les trous noirs stellaires modernes, les trous noirs primordiaux proviendraient de particules subatomiques serrées les unes contre les autres avec suffisamment de force pour atteindre le point d’effondrement gravitationnel.
Les trous noirs primordiaux pourraient être de taille microscopique, mais d’une densité incroyable, ce qui s’avérerait utile pour expliquer la matière noire. Des mesures faites par Voyager 1, bien au-delà des limites du système solaire, suggèrent qu’ils ne sont pas suffisamment répandus pour contribuer à la matière noire. De plus, en 2019, des observations faites dans la galaxie d’Andromède ont suggéré que de petits trous noirs pourraient ne même pas exister.
Donc, si les trous noirs primordiaux sont cohérents avec l’histoire de l’univers, les preuves ne sont pas assez nombreuses pour en faire un candidat principal à la matière noire.
4. Les Axions
Les axions sont un candidat parfait à la matière noire. S’ils existent. Ces particules théoriques ont une masse faible, sans charges, longue durée et se déplaçant lentement. Proposés d’abord dans les années 1970 afin de résoudre un problème complètement différent appelé « strong CP problem », les axions sont cohérents avec l’histoire du cosmos, suffisamment individuels pour être considérés comme des candidats et pourraient résoudre de nombreux problèmes en physique, et pas seulement la matière noire. À l’heure actuelle, il n’y a pas signe de leur existence. Des efforts sont faits afin de créer de nouvelles techniques permettant de détecter ces particules élusives.
5. La Self-interacting dark matter (Matière noire auto-interactive)
La plupart des candidats à la matière noire n’interagissent pas avec la matière ordinaire. Si c’était le cas, nous serions capables de les détecter. La Matière noire auto-interactive (SIDM) interagit toutefois avec elle-même. L’idée est apparue dans les années 2000 et a récemment été utilisée pour proposer des solutions à deux problèmes physiques majeurs. Le premier, le « problème du dernier parsec », pourrait utiliser la SIDM pour expliquer pourquoi les trous noirs supermassifs fusionnent plutôt que de rester coincé dans une danse binaire l’un autour de l’autre. Cela pourrait aussi expliquer le « problème de concentration du halo » qui observe une divergence dans la densité de la matière noire de plus en plus importante alors que l’on s’approche du centre de la galaxie.
Et d’autres !
Il existe bien évidemment de nombreux autres candidats à la matière noire. Des bosons ultralégers aux neutrinos de droite et bien d’autres, la recherche de la matière noire continue. Elle demeure l’un des puzzles non résolus les plus intéressants de la physique.
À propos de l’IP
L'Institut Périmètre est le plus grand centre de recherche en physique théorique au monde. Fondé en 1999, cet institut indépendant vise à favoriser les percées dans la compréhension fondamentale de notre univers, des plus infimes particules au cosmos tout entier. Les recherches effectuées à l’Institut Périmètre reposent sur l'idée que la science fondamentale fait progresser le savoir humain et catalyse l'innovation, et que la physique théorique d'aujourd'hui est la technologie de demain. Situé dans la région de Waterloo, cet établissement sans but lucratif met de l'avant un partenariat public-privé unique en son genre avec entre autres les gouvernements de l'Ontario et du Canada. Il facilite la recherche de pointe, forme la prochaine génération de pionniers de la science et communique le pouvoir de la physique grâce à des programmes primés d'éducation et de vulgarisation.
