matière noire

Une vieille boule d'étoiles, qui a rassemblé des centaines de milliers de soleils, tourne depuis des milliards d'années à la périphérie d'une galaxie naine. D'après les calculs, elle aurait dû depuis longtemps s'effondrer vers le centre, comme une pierre lourde dans de la gelée. Mais la boule tient bon, et ce fait empêche les astrophysiciens de dormir depuis plusieurs décennies.

Dans un laboratoire souterrain du Dakota du Sud, le détecteur LUX-ZEPLIN, rempli de xénon liquide, attend de rares collisions. En général, les particules de matière noire le traversent sans laisser de trace, mais un jour, un noyau de xénon a été déplacé avec une énergie de 248 keV.

Dans le laboratoire souterrain sous la montagne de Sanford, dans le Dakota du Sud, se trouve une cuve contenant dix tonnes de xénon liquide, qui attend qu'une particule de matière noire la traverse.

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

Un rayon de lumière passant près d'un corps massif le contourne, comme un coureur contourne le virage d'un stade. Pour une étoile à neutrons, cet angle de déviation est généralement considéré comme identique à celui d'une masse ponctuelle.

Le neutron est une particule qui se trouve généralement dans le noyau atomique et ne disparaît jamais. Mais certaines théories suggèrent qu'il pourrait parfois se transformer en son double invisible — une particule impossible à détecter avec les détecteurs ordinaires.

Dans le puits qui mène au Grand collisionneur de hadrons, on veut installer un résident inhabituel : un tube vertical de cent mètres, à l'intérieur duquel tomberont des nuages d'atomes de strontium. Chaque nuage est refroidi à presque zéro absolu, pour que les atomes se déplacent lentement et de manière coordonnée, comme des danseurs au ralenti.

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais elle devrait traverser les détecteurs comme le vent à travers les feuilles. Parfois, très rarement, une particule de matière noire heurte le noyau d'un atome – et le détecteur doit alors capter cette secousse.

À l'intérieur du Soleil, des réactions peuvent produire des particules légères et presque insaisissables : les axions. L'une de ces réactions génère des axions avec une énergie de 5,49 MeV, comme si chacun portait l'énergie d'une balle de tennis filant à 100 km/h.

Dans le ciel austral, derrière un épais rideau de poussière, se cache une source de rayons gamma — la lumière la plus énergétique de l'Univers. Elle brille si intensément qu'on la voit même à travers ce rideau, mais l'objet lui-même reste invisible. Les astronomes ont pointé le radiotélescope ALMA vers les nuages de gaz voisins et ont vu un motif qui a trahi l'invisible.

La matière noire n'émet pas de lumière et ne la réfléchit pas, mais sa présence se trahit par des effets gravitationnels. Pour attraper ne serait-ce qu'une particule, les physiciens construisent des détecteurs semblables à des pièces très silencieuses : à l'intérieur reposent des cristaux qui scintillent lorsqu'une particule les frappe.

Un cristal d'iodure de sodium dopé au thallium, c'est comme un film photographique pour particules invisibles. Lorsqu'un quantum gamma ou une hypothétique particule de matière noire le frappe, il émet une faible lueur. Deux photomultiplicateurs en silicium, plaqués contre les extrémités du cristal, capturent cette lueur des deux côtés.

Le manège tourne : plus on s'assoit loin du centre, plus on est emporté vite. Pour les galaxies, on a longtemps pensé la même chose — les étoiles des confins devraient tourner plus lentement que celles proches du centre. Mais dès les années 1970, on a découvert que dans de nombreuses galaxies spirales, la vitesse des étoiles ne chute presque pas avec la distance au centre.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière ordinaire, et l'antimatière est quasi introuvable. Où est-elle passée ?

Une galaxie ressemble à une ville : au centre, des lumières vives et une densité de bâtiments élevée, tandis qu'en périphérie, les lumières se raréfient et laissent place au vide. Mais si l'on observe la rotation du gaz dans le disque galactique, on constate que sa vitesse ne chute presque pas en périphérie.

Un aimant pesant quelques grains de sable flotte dans les airs sans aucun support. Il ne touche pas les parois, ne frotte sur aucun roulement — il reste suspendu dans un piège magnétique, comme une poussière dans un rayon de soleil.

L'Univers nous envoie constamment des signaux, mais beaucoup sont trop faibles pour être perçus. Les neutrinos reliques, ces particules issues du Big Bang, traversent la Terre par milliards chaque seconde, mais en capturer ne serait-ce qu'un seul relève de l'exploit.

Le compteur de vitesse des galaxies s'affole. Les étoiles externes tournent si vite que, selon toutes les lois de la gravitation, elles devraient s'échapper, comme des éclaboussures d'une roue.

Un immense stade rempli de personnes vêtues de noir. Vous êtes à l'extérieur et tentez de deviner ce qui se passe à l'intérieur, sans voir personne. Mais si deux personnes se heurtent et échangent des maillots fluorescents, vous remarquerez un éclair de couleur.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'univers ressemblait à une marmite bouillonnante. Selon une hypothèse, la matière noire — cette substance invisible qui empêche les galaxies de se disloquer — aurait pu y naître.

Au cœur d'une galaxie, quelque part, tourne un trou noir. Il ne flotte pas dans le vide : autour de lui, un essaim invisible de particules de matière noire. Jusqu'à présent, cet essaim était décrit pour des trous immobiles, mais en réalité, les trous noirs tournent toujours.

Tout objet pulsant a un moment où le rythme se dérègle. Pour les étoiles bosoniques — des amas hypothétiques de particules ultra-légères — ce moment se situe au point où la masse cesse de croître. Les auteurs de l'étude ont calculé le mode radial le plus bas (le ton fondamental de la « respiration ») pour toute une famille de ces étoiles, y compris des modèles avec auto-interaction.

Une étoile à neutrons, c'est un résidu ultra-dense d'explosion de supernova : la masse du Soleil compressée dans une sphère de la taille d'une ville.

Le radiotélescope FAST, avec son antenne de cinq cents mètres, a capté un signal sur une longueur d'onde de 21 centimètres – c'est ainsi que l'hydrogène froid émet. Le signal provenait d'un nuage baptisé Cloud-9. Il flotte dans l'espace à côté de la galaxie M94, mais ne renferme pas une seule étoile.

Une armature invisible maintient les galaxies, les empêchant de se disperser. C'est la matière noire — une substance qui n'émet pas de lumière et n'interagit presque pas avec la matière ordinaire. Les astrophysiciens débattent depuis longtemps de sa composition.

Le ciel nocturne semble être un semis aléatoire d'étoiles. Mais si on l'observe sur de très grandes distances, le chaos disparaît. Les galaxies se rassemblent en de longs filaments et de vastes murs, et entre eux s'ouvrent d'immenses vides — les vides cosmiques. Cette structure est appelée la toile cosmique.

Le modèle standard cosmologique ressemble à une recette de gâteau où tout est strictement mesuré : la matière noire est comme de la farine sans grumeaux (pression nulle), et l'énergie noire comme une levure idéale (équation d'état strictement égale à moins un).

Une géante rouge dans un amas globulaire est une étoile à la retraite. Elle a brûlé l'hydrogène de son noyau et vit désormais de la combustion dans une fine couche autour du résidu d'hélium.

Le monde quantique ressemble à une cuisine où des particules surgissent soudainement de « rien ». Mais il faut un cuisinier : un champ classique qui agit comme une source externe. Le théorème de Glauber, bien connu en optique, est maintenant généralisé : il montre comment le champ « cuisine » les particules, qu'il s'agisse de photons ou de gravitons.

L'Univers primordial ressemble à un chaudron bouillonnant où particules et antiparticules naissent et meurent en proportions égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière : étoiles, planètes, nous-mêmes. Comment un infime excès d'un milliardième a-t-il pu émerger de l'égalité initiale ?

Un chasseur tend des collets dans la forêt. Il connaît les habitudes de l'animal, mais ne sait pas s'il se fera prendre. C'est à peu près ainsi que les physiciens installent des détecteurs pour tenter de capturer les particules de matière noire — cette substance invisible qui, pense-t-on, constitue une grande partie de la masse de l'Univers.

Dans la glace antarctique se cache un détecteur de la taille d'un kilomètre cube. Il ne capte pas la lumière, mais des particules fantômes : les neutrinos. Pourtant, il pourrait parfois y apparaître une tout autre bête : une paire de muons nés ensemble et s'éparpillant en un large éventail.

La matière noire est l'armature invisible de l'Univers. Elle existe, c'est évident d'après le mouvement des étoiles et des galaxies, mais de quoi est faite cette armature, on l'ignore encore. Une hypothèse : des particules ultralégères, semblables aux axions.

Un trou noir n'est pas simplement un aspirateur cosmique. S'il tourne, il peut amplifier les ondes autour de lui, comme un écho de montagne répète un son. Pour la matière noire ultra-légère (des particules des milliards de fois plus légères que l'électron), cet effet, appelé superradiance, peut créer un nuage immense.

Un trou noir n'est pas un entonnoir vide. De la matière invisible peut s'accumuler autour de lui, et les frontières habituelles se déplacent alors.

Dans les confins obscurs de notre Galaxie, loin des amas d'étoiles brillants, se cachent des millions de trous noirs. Ils sont invisibles : ils n'émettent pas de lumière et n'absorbent pas de matière de manière notable. Les méthodes de détection classiques, conçues pour les champs stellaires denses, sont impuissantes ici. Il faut une autre approche.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers a connu une expansion fulgurante — l'inflation. L'espace s'est étiré plus vite que la lumière, et les frémissements quantiques du vide se sont transformés en véritables particules.

Un amas globulaire — un essaim dense de centaines de milliers d'étoiles — traverse une galaxie comme une balle dans l'eau. Dans la matière noire ordinaire (cette masse invisible qui maintient les galaxies), il devrait perdre rapidement de la vitesse à cause du frottement dynamique.

Un tourbillon avale l'eau, mais en projette la majeure partie autour de lui. C'est à peu près ce que fait un trou noir lorsqu'il reçoit trop de matière.

L'objet cosmique tourne, mais son ombre n'est pas ronde. Des astrophysiciens ont examiné un trou noir dans une version inhabituelle de la gravité — le soi-disant monde-brane (où notre Univers est une surface tridimensionnelle dans un espace à plus grand nombre de dimensions).