Même avec les instruments les plus sensibles et les plus avancés, nous sommes toujours incapables de détecter cette "substance" insaisissable.
Selon les astrophysiciens, l'univers est constitué en grande partie de matière dite noire. Il est vrai que nous ne pouvons pas encore observer directement cette « matière », mais de toutes sortes de phénomènes nous déduisons qu'elle doit exister. La matière noire elle-même est en fait l'un des concepts les plus simples de la physique. Le fait qu'elle nous pose encore de grands mystères est dû à notre perspective humaine. Chaque être humain est équipé de cinq sens, dont chacun est basé sur des interactions électromagnétiques.
La matière n'a pas besoin d'être constituée d'atomes. Il est possible que la majeure partie de la matière soit constituée de quelque chose de complètement différent
Notre vue, par exemple, nous la devons à notre sensibilité à la lumière, c'est-à-dire aux ondes électromagnétiques qui se situent dans un certain spectre de fréquences. Nous pouvons voir la matière « ordinaire » parce que les atomes qui la composent émettent ou absorbent de la lumière. C'est grâce aux charges électriques des électrons qui entourent un noyau atomique que l'on peut voir.
Cependant, la matière ne doit pas nécessairement être constituée d'atomes. Il est tout à fait possible que la majeure partie de la matière soit composée de quelque chose de complètement différent. La matière est toute substance qui, comme la matière normale, interagit avec la gravité - et en conséquence, par exemple, s'agglutine en galaxies ou en amas de galaxies. Il n'y a aucune raison pour que la matière soit toujours constituée de particules chargées électriquement.
Mais la matière qui ne présente pas d'interactions électromagnétiques est invisible à nos yeux. La matière noire n'a pas de charge électromagnétique (sauf peut-être une charge si petite que nous n'avons pas pu la détecter jusqu'à présent). Personne n'a jamais vu cette matière directement de ses propres yeux, pas même à l'aide des instruments optiques les plus sensibles. Pourtant, nous sommes convaincus que la matière noire existe, en raison des nombreux effets gravitationnels qu'elle exerce.
Pour citer quelques exemples :la matière noire affecte les mouvements des étoiles de notre galaxie (elles tournent à des vitesses si élevées que la gravité de la matière ordinaire serait insuffisante pour les maintenir sur leurs orbites); il affecte les mouvements des galaxies au sein d'un amas de galaxies (encore une fois, trop rapide pour être expliqué uniquement sur la base de la matière visible) ; il a laissé des traces dans le rayonnement de fond cosmique des micro-ondes laissé par l'époque du big bang ; il affecte les orbites de la matière visible libérée dans une supernova; le phénomène de lentille gravitationnelle, où la lumière est déviée par le champ gravitationnel autour par exemple d'une étoile, d'une galaxie ou d'un trou noir; et le fait que la matière visible et invisible se sépare lors de la fusion des amas de galaxies.
En dehors de tous ces phénomènes, l'indice peut-être le plus important de l'existence de la matière noire est le fait que nous existons. La matière noire est peut-être invisible, mais elle a joué un rôle crucial dans l'évolution de notre univers et dans la formation des étoiles, des planètes et même de la vie. En effet, la matière noire représente cinq fois plus de masse que la matière ordinaire et n'interagit pas directement avec la lumière.
Ces deux propriétés ont été déterminantes pour la formation de structures comme les galaxies – dans le délai (relativement court) de la durée de vie moyenne d'une galaxie – et plus précisément d'une galaxie de la taille de notre Voie lactée. S'il n'y avait pas eu de matière noire, les rayons cosmiques l'auraient empêchée de s'agglutiner en une structure galactique pendant trop longtemps. En fait, le rayonnement aurait effacé de telles structures et l'univers serait resté homogène et imperturbable. Le fait que la galaxie qui abrite notre système solaire et rend la vie possible ait pu apparaître entre le Big Bang et le présent est dû à la présence de matière noire.
Lorsque les gens découvrent pour la première fois le concept de « matière noire », ils éprouvent souvent un sentiment de perplexité. Comment quelque chose que nous ne pouvons pas voir existe-t-il ? Depuis l'époque de Copernic, qui a découvert que le soleil n'est pas le centre de notre système solaire, nous devrions progressivement nous habituer à l'idée que les humains ne sont pas au centre de l'univers. Mais chaque fois que nous sommes confrontés à cette notion dans un nouveau contexte, il y a toujours des gens qui sont surpris ou confus. Mais objectivement, il n'y a aucune raison pour que la matière visible soit la seule forme de matière qui existe. En fait, on s'attend à ce qu'il existe une chose telle que la matière noire et cela correspond à tout ce que nous savons.
La confusion peut être en partie due au nom. Nous devrions en fait appeler la matière noire matière transparente, car la lumière la traverse, tout comme les autres substances transparentes. Cependant, la nature de la matière noire est tout sauf transparente. Les physiciens et les astronomes aimeraient comprendre à un niveau plus fondamental ce qu'est réellement la matière noire. Est-il constitué d'un type encore inconnu de particules élémentaires, ou est-il constitué d'un objet invisible et compact, tel qu'un trou noir ? Et s'il est composé de particules, ont-elles des interactions (bien qu'extrêmement faibles) avec la matière ordinaire, autres que les interactions gravitationnelles ? Peut-être que ces particules ont des interactions entre elles qui dépassent nos sens ? Y a-t-il plus d'un type de ces particules ? Est-ce que certains types de ces particules présentent des interactions quelconques ?
Au cours de ma carrière de physicien théoricien, j'ai découvert un certain nombre de possibilités intéressantes. Mais en fin de compte, nous ne pouvons en apprendre davantage sur la véritable nature de la matière noire qu'à l'aide d'observations supplémentaires qui peuvent nous montrer la voie. Par exemple, ces observations pourraient prendre la forme de mesures plus précises des effets gravitationnels de la matière noire. Ou - si nous avons la chance que la matière noire ait de très faibles interactions non gravitationnelles avec la matière ordinaire que nous n'avons pas encore pu observer - de grands détecteurs souterrains, des satellites dans l'espace ou le Large Hadron Collider au CERN près de Genève peuvent détecter l'obscurité particules de matière dans le futur.
Mais même si la matière noire n'a pas de telles interactions avec la matière ordinaire, les interactions de la matière noire avec elle-même pourraient également avoir des effets observables. Par exemple, si les interactions de la matière noire avec elle-même entraînent un ordre différent de la matière au centre d'une galaxie, la structure interne des galaxies sera différente à petite échelle. Des structures compactes ou des structures similaires à la Voie lactée, telles que les nuages de gaz et d'étoiles brillants que nous voyons dans le ciel nocturne, pourraient indiquer l'existence d'un ou plusieurs types de particules de matière noire interagissant les unes avec les autres. Il est également concevable que - en laboratoire ou dans l'espace - nous puissions détecter des particules hypothétiques, appelées axions, qui interagissent avec les champs magnétiques.
La matière noire est un objet de recherche prometteur, non seulement pour les théoriciens, mais aussi pour les scientifiques qui font des observations ou mènent des expériences. Nous savons qu'il existe, mais nous ne savons pas encore exactement ce que c'est à un niveau fondamental. Comment nous ne savons pas cela deviendra bientôt clair :ce n'est tout simplement pas assez interactif pour nous rendre plus sages, du moins pour autant que nous le sachions. Si la matière ordinaire ne peut que nous dire que la matière noire existe, mais autrement ne réagit guère à celle-ci, nous, les humains, n'avons que des possibilités limitées de progresser. Mais si la matière noire devait avoir des propriétés plus intéressantes, les chercheurs sont prêts à les découvrir et à nous permettre de mieux comprendre ce merveilleux mystère.
