De Coma à l’amas du Boulet : l’évolution des preuves de la matière noire

La matière noire se reconnaît à ce qu’elle fait, et non à une lumière que nous pourrions observer. Selon la description de la NASA, elle n’interagit pas avec le spectre électromagnétique comme la matière ordinaire : elle n’absorbe, ne réfléchit ni n’émet de lumière. Sa gravité agit pourtant sur les galaxies et sur la lumière qui traverse l’Univers. Pour comprendre comment les preuves se sont constituées, le mieux est de suivre trois signaux différents : le mouvement des galaxies au sein des amas, la vitesse des étoiles dans les galaxies spirales et la déformation de la lumière d’arrière-plan.

Coma : des galaxies trop rapides

Un amas de galaxies est un ensemble de galaxies liées par la gravité. En 1933, l’astronome Fritz Zwicky a publié un article sur une anomalie qu’il avait observée en étudiant l’amas de Coma. Selon le récit historique de la NASA, les galaxies de cet amas se déplaçaient trop vite pour que la gravité de la matière ordinaire observée suffise à les maintenir ensemble. Si seule cette matière visible comptait, les galaxies auraient dû se disperser ; pourtant, elles restaient liées à l’amas.

Zwicky a proposé qu’une forme invisible de matière fournisse la gravité manquante dans cette explication et l’a appelée « dunkle Materie », soit « matière noire » en allemand. Cette proposition a donné un nom à une explication possible du problème, mais les premières recherches n’ont pas suffi, à l’époque, à en faire une idée largement acceptée. Son importance tient à la nature de l’indice : la matière hypothétique n’était pas observée directement ; c’est un mouvement dont l’explication gravitationnelle semblait nécessiter plus de masse que la masse visible qui était observé.

Les étoiles des galaxies spirales

Dans les années 1970, l’astronome Vera Rubin a étudié un autre cas : les étoiles situées vers les régions externes des galaxies spirales. Selon la NASA, elle a découvert qu’elles se déplaçaient trop vite pour que la matière lumineuse observée dans ces galaxies puisse, à elle seule, expliquer comment elles restaient en orbite. L’écart ressemblait à celui de Coma, mais l’observation portait désormais sur le mouvement des étoiles au sein de galaxies individuelles, et non sur celui de galaxies entières dans un amas.

Rubin a conclu qu’il devait y avoir davantage de matière que ce que l’on voyait pour maintenir ces galaxies ensemble. L’explication proposée était que la matière noire apportait une gravité supplémentaire. La concordance entre des indices provenant d’échelles différentes a renforcé l’idée : d’abord, le mouvement des galaxies dans Coma ; ensuite, celui des étoiles aux confins des spirales. Dans le récit historique de la NASA, les preuves associées aux travaux de Rubin ont été déterminantes pour que la communauté scientifique adopte plus largement ce concept.

La lentille gravitationnelle transforme la gravité en carte

Un troisième indice provient de la lumière. La gravité d’une concentration de masse peut courber l’espace-temps et, par conséquent, dévier la trajectoire de la lumière provenant de galaxies situées derrière elle. Cet effet s’appelle lentille gravitationnelle. En mesurant la déformation apparente de ces galaxies d’arrière-plan, les astronomes peuvent estimer la distribution de la masse dans l’objet situé au premier plan.

Le résultat est une carte de masse déduite de la déformation de la lumière, et non une photographie de particules sombres. Cette distinction est importante : l’image observée fournit les formes et les positions des galaxies ; la carte est obtenue en interprétant les déformations produites par la gravité. Comme l’explique la NASA en décrivant les amas de galaxies, la lentille gravitationnelle permet de cartographier la distribution de masse et de repérer les régions où l’on infère une concentration que la matière visible ne suffit pas à expliquer.

L’amas du Boulet : le gaz et la masse ne se trouvent pas au même endroit

L’amas du Boulet, officiellement nommé 1E 0657-56, s’est formé lorsque deux grands amas de galaxies sont entrés en collision, lors d’un événement survenu à environ 3 800 millions d’années-lumière de la Terre. La NASA décrit les observations de ce système réalisées en 2006 comme l’un des exemples les plus clairs de preuves de matière noire. Pendant la collision, le gaz chaud d’un amas a interagi avec le gaz chaud de l’autre.

Dans les images composites décrites par la NASA, le gaz chaud — de la matière ordinaire qui émet des rayons X et a été détectée par l’observatoire Chandra de la NASA — apparaît en rose. La distribution de masse déduite d’observations de lentille gravitationnelle effectuées avec le télescope spatial Hubble de la NASA et le télescope Magellan, exploité par un consortium international, est représentée en bleu. Selon la description de la NASA, les régions bleues sont distribuées différemment du gaz chaud et représentent la majeure partie de la masse des amas.

L’interprétation scientifique rapportée par l’agence est que le matériau associé à cette distribution bleue est probablement de la matière noire. L’essentiel n’est pas que le bleu soit une image directe de cette matière : il représente une masse reconstituée par lentille gravitationnelle. Le gaz, quant à lui, est identifié par son émission de rayons X. L’amas du Boulet permet donc de comparer deux observables différents : l’emplacement du gaz chaud et les endroits où la lentille indique une concentration de masse.

Des preuves constituées d’indices différents

Coma, les galaxies spirales et l’amas du Boulet ne fournissent pas le même type d’observation. Le premier a attiré l’attention sur la vitesse des galaxies au sein d’un amas ; Rubin a étudié les étoiles des régions externes des galaxies ; et le troisième a permis de comparer le gaz chaud à la distribution de masse déduite de la lumière déformée. Dans les trois cas, la matière noire intervient dans l’explication par l’intermédiaire des effets gravitationnels observés.

Ce parcours aide aussi à préciser ce que signifie le terme « preuve ». À Coma et dans les galaxies spirales, l’écart entre le mouvement et la matière visible a conduit à inférer une masse supplémentaire. Dans l’amas du Boulet, la lentille gravitationnelle fournit une carte de masse que l’on peut comparer à l’emplacement du gaz. Selon l’interprétation rapportée par la NASA, le matériau associé aux régions bleues est probablement de la matière noire. La force de cette histoire tient au fait que des indices différents désignent une masse qui n’est pas identifiée par sa lumière, même si chacun repose sur une observation différente.