La matière noire semble froide : ce que révèle la formation des galaxies, et ce que nous ignorons encore

La matière noire soulève deux questions liées, mais distinctes : comment elle influe sur la structure de l’Univers et de quoi elle est constituée. La NASA explique que les simulations de la formation des structures privilégient une matière noire froide, ou se déplaçant lentement. Cette préférence aide à décrire la place des galaxies et d’autres structures dans l’histoire cosmique, mais n’identifie pas les particules responsables.

Cette distinction est importante, car « froide » ne désigne pas ici une température mesurée avec un thermomètre. Le terme se rapporte à la vitesse des particules dans les modèles. La comparaison entre matière noire froide, tiède et chaude permet d’étudier quel type de mouvement produit des structures semblables à celles observées par les astronomes.

Une matière invisible qui laisse des traces gravitationnelles

La matière ordinaire — celle qui compose les étoiles, les planètes et les objets du quotidien — interagit avec la lumière à différentes longueurs d’onde. Selon la description de la NASA, la matière noire ne semble pas interagir avec le spectre électromagnétique : elle n’absorbe, ne réfléchit ni n’émet de lumière. Elle possède toutefois une masse et exerce une action gravitationnelle sur la matière ordinaire. Ainsi, même si elle n’est pas directement visible, ses effets permettent d’étudier son influence sur le cosmos.

L’agence estime que la matière noire représente environ 27 % de l’Univers, contre près de 5 % pour la matière ordinaire ; le reste est attribué à l’énergie noire. Elle indique également que la matière noire constitue la majeure partie de la masse des galaxies et des amas de galaxies. Ces proportions sont des estimations fournies par la NASA pour situer le rôle des différents composants cosmiques.

Une façon de repérer cette masse consiste à observer comment la gravité de grandes concentrations de matière courbe l’espace-temps et dévie la lumière d’objets lointains. Ce phénomène est appelé lentille gravitationnelle. Les distorsions observées permettent d’étudier la répartition de la masse, y compris la partie qui n’émet pas de lumière.

Ce que comparent les simulations

L’explication de la NASA décrit des simulations qui testent différentes vitesses de la matière noire. Dans les modèles de matière noire froide et lente, les structures de l’Univers apparaissent et se déplacent d’une manière similaire à celle observée. En revanche, dans les simulations de matière noire tiède ou chaude, les structures ne semblent pas rester liées de la manière nécessaire pour reproduire ces observations.

À partir de cette comparaison, l’agence résume que les scientifiques jugent plus probable que la matière noire soit froide ou se déplace lentement. Elle avance également qu’elle a pu se former dans l’Univers primordial à une vitesse suffisamment faible pour permettre aux galaxies de se former et de se répartir comme nous les voyons aujourd’hui. Il s’agit d’une déduction fondée sur le comportement des structures dans les modèles : elle indique quel type de mouvement correspond le mieux au tableau observé, et non la composition de la matière noire.

L’idée de « froide » doit donc être comprise dans le cadre de cette comparaison. La question n’est pas de savoir si la matière est froide au sens courant, mais si ses particules se déplacent assez lentement pour s’agglomérer et favoriser la formation de structures cosmiques.

De la description cosmologique aux particules hypothétiques

La NASA recense plusieurs propositions sur la nature de la matière noire. Parmi elles figurent les WIMPs, sigle désignant des particules massives à interaction faible. L’agence les décrit comme des particules hypothétiques, lourdes et lentes, qui n’absorbent ni n’émettent de lumière et n’interagissent pas fortement avec les particules connues à ce jour. Elles pourraient interagir par la gravité et peut-être par d’autres forces, ce qui leur permettrait de traverser presque sans obstacle la matière ordinaire.

Certains modèles avancent que, lorsque certaines WIMPs se rencontrent, elles pourraient s’annihiler mutuellement et produire des rayons gamma. La NASA indique que des données du télescope spatial Fermi pour les rayons gamma ont été examinées à la recherche de signes éventuels de ce processus. Toutefois, décrire une recherche ne revient pas à confirmer l’existence des WIMPs.

Les axions constituent un autre candidat. Ce sont des particules subatomiques hypothétiques auxquelles on attribue une faible masse et une faible énergie. Ils ont été proposés en 1977 comme solution possible à un problème de physique des particules appelé problème CP fort. L’hypothèse pose que les axions pourraient constituer la matière noire. La NASA indique également que des données des télescopes Fermi, Chandra et NuSTAR ont servi à rechercher des indices d’oscillations d’axions dans des observations de rayons X et gamma.

Ce que les simulations permettent d’affirmer

La préférence pour une matière noire lente et la recherche de candidats relèvent de niveaux de recherche différents. Les simulations comparent les effets que diverses vitesses auraient sur la formation et la cohésion des structures. Les recherches de particules visent, elles, à détecter des signaux associés à des propositions précises. Le fait qu’un modèle cosmologique corresponde mieux aux structures observées ne suffit pas à lui seul à choisir entre les WIMPs, les axions ou d’autres explications.

La NASA présente elle-même plusieurs possibilités et indique que la matière noire pourrait être constituée de plusieurs types de matière ou de particules. Sur la page qui résume ces candidats, l’agence précise qu’aucun élément n’a été trouvé pour confirmer ceux qu’elle décrit. La conclusion étayée par les informations disponibles reste donc limitée : les simulations privilégient une matière noire froide ou lente pour expliquer la structure cosmique observée, tandis que son identité physique demeure inconnue.

Un indice sur l’histoire du cosmos

Comprendre la répartition de la matière noire peut aider à reconstituer la formation et l’évolution des galaxies. La NASA présente les simulations comme un moyen de relier le mouvement de la matière noire à la formation de ces structures. La préférence pour des particules lentes indique une condition permettant à la matière de s’agglomérer dans les modèles ; elle ne résout pas à elle seule la question de la nature de ces particules.

Le tableau se divise donc entre un indice cosmologique et une inconnue microscopique. Le premier privilégie la matière noire froide, car ses simulations correspondent mieux aux structures observées. La seconde — quelle entité physique produit ces effets gravitationnels — reste une question ouverte parmi des candidats hypothétiques tels que les WIMPs et les axions. Distinguer ces deux questions évite de transformer une explication de la formation des galaxies en une identification que les éléments cités ne permettent pas.