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matière noire

Matière invisible dont on postule l'existence dans l'Univers.

ASTRONOMIE

Existence de la matière noire

La présomption de l'existence de matière noire s'appuie sur plusieurs faits d'observation. Le premier, mis en évidence dès le début des années 1930 par le Suisse Fritz Zwicky (1898-1974), concerne la dynamique des amas de galaxies. Un tel amas n'est stable que si l'attraction gravitationnelle mutuelle des masses qu'il renferme équilibre les mouvements qui tendent à disperser les galaxies. En mesurant ces mouvements (c'est-à-dire, en pratique, les vitesses des galaxies), on peut donc estimer la masse totale de l'amas. Celle-ci peut également être évaluée en additionnant les masses individuelles des galaxies de l'amas, déduites de la luminosité de ces galaxies (elle-même liée à la quantité d'étoiles).

Or, la première méthode fournit une masse toujours environ dix fois supérieure à la seconde. Il faut donc admettre que les neuf dixièmes de la masse des amas de galaxies sont formés de matière invisible. Une partie de cette matière n'est autre que du gaz très chaud réparti entre les galaxies et mis en évidence depuis quelques années par ses émissions de rayonnement X. La masse de ce gaz chaud est 2 à 3 fois supérieure à celle des étoiles, mais reste néanmoins insuffisante pour maintenir la cohésion des amas de galaxies.

Une autre preuve indirecte de la présence de matière noire vient de l'étude dynamique de galaxies isolées. Les galaxies spirales sont des systèmes aplatis de gaz et d'étoiles qui tournent sur eux-mêmes. Chaque point du disque de ces galaxies est en équilibre entre la force centrifuge due à la rotation et l'attraction gravitationnelle des régions situées plus près du centre de la galaxie. Or, on constate que la vitesse de rotation, lorsqu'on s'écarte du centre, cesse de décroître à partir d'une certaine distance et reste à peu près constante, même dans les régions où l'on n'observe pratiquement plus d'étoiles, mais seulement du gaz. Cela implique la présence de matière obscure au-delà des limites du disque observable de la galaxie. Cette matière peut se trouver soit dans un halo plus ou moins sphérique entourant la galaxie, soit dans un disque épais concentrique à celui que l'on observe. La présence de matière noire est également invoquée dans les théories qui tentent d'expliquer comment se sont formées les galaxies à la suite du big bang.

Nature de la matière noire

Différentes hypothèses ont été avancées concernant la nature de la matière noire. Les unes invoquent de la matière ordinaire, dite baryonique, constituée de particules ayant une masse au repos, les baryons (protons, neutrons, électrons) ; les autres de la matière hypothétique, dite non baryonique, dont l'énergie peut produire des effets gravitationnels analogues à ceux de la masse selon la théorie de la relativité. La matière noire baryonique pourrait être constituée d'étoiles de faible masse (inférieure à quelques dixièmes de la masse du Soleil), en particulier de naines brunes. Ces objets seraient répartis en halo autour des galaxies et sont couramment désignés sous le nom de MACHO (sigle de l'anglais Massive Astronomical Compact Halo Objects). Quelques objets de ce type semblent avoir été détectés autour de notre galaxie par l'effet de microlentille gravitationnelle qu'ils produisent sur la lumière des étoiles du Grand Nuage de Magellan, mais des observations du télescope spatial Hubble prouvent que leur nombre doit être assez limité. Il n'est pas exclu que la matière noire baryonique se présente aussi sous la forme de grands nuages de gaz moléculaire froid.

Quant à la matière noire non baryonique, elle serait formée de particules subatomiques massives n'interagissant que faiblement avec la matière ordinaire (donc, très difficiles à détecter), les WIMP (sigle de l'anglais Weakly Interacting Massive Particles).