Depuis plusieurs dizaines d'années, les astronomes en sont convaincus : l'Univers nous cache son embonpoint ! De nombreux phénomènes astronomiques – comme les vitesses trop rapides de certaines étoiles ou de certaines galaxies – ne s'expliquent que si l'Univers renferme six fois plus de matière que celle que l'on observe. Le problème est qu'à ce jour aucun instrument scientifique n'a été capable de détecter cette masse cachée.

Malgré cela, grâce au programme d'observation COSMOS, une équipe internationale de 70 scientifiques dirigée par Richard Massey du Caltech vient de présenter* la toute première carte tridimensionnelle d'une fraction de cette mystérieuse « matière noire ».

* Nature, 7 janvier 2007

« La matière noire n'est pas semblable à celle que l'on connaît, rappelle Jean Paul Kneib, astronome au laboratoire d'astrophysique de Marseille et membre du programme COSMOS. Les modèles prédisent qu'elle n'est pas constituée de neutrons et de protons, mais de particules encore inconnues n'émettant aucune radiation électromagnétique. » Bref, n'étant visible dans aucune longueur d'onde (visible, infrarouge, rayons X…), la matière noire ne peut théoriquement être détectée par aucun instrument.

Malgré tout, la matière noire – en raison de sa masse – exerce une attraction gravitationnelle sur son environnement. C'est cette propriété que les chercheurs ont exploitée pour dresser leur carte.

Depuis Einstein et sa théorie de la relativité générale, on sait en effet que tout objet massif est capable de dévier la lumière. Or, un peu partout dans le ciel, des galaxies apparaissent déformées dans les objectifs des télescopes, comme si une masse invisible s'interposait entre elles et nous. Pour les physiciens, ce phénomène dit de « lentille gravitationnelle » peut signaler la présence de matière noire.

L'objectif du programme COSMOS (Cosmological Evolution Survey) était ainsi d'étudier un vaste champ de galaxies afin de mesurer leurs plus infimes déformations et d'en déduire l'éventuelle présence de matière noire.

Grâce au télescope spatial Hubble, quelque 575 images (soit 1000 heures de prises de vues) d'une région du ciel grande comme neuf fois la surface de la Lune ont pu être réalisées. « Seul le télescope spatial – qui n'est pas gêné par notre atmosphère – était en mesure de détailler aussi précisément la forme des galaxies, note Jean-Paul Kneib. Et lui seul pouvait couvrir un champ aussi vaste. »

Pour accéder à la troisième dimension, les données de Hubble ont dû être complétées par d'autres observations au sol (Subaru, VLT, CFHT) ou dans l'espace (XMM-Newton). En particulier, les distances des dizaines de milliers de galaxies du champ COSMOS ont pu être estimées en mesurant leur « redshift », c'est-à-dire le décalage de leur spectre dans le rouge qui est proportionnel à leur éloignement.

La carte obtenue permet non seulement d'apprécier la répartition de la matière noire dans l'espace, mais aussi son évolution sur plus de 3 milliards d'années. Initialement organisée en filaments, la matière noire semble s'aggréger avec le temps autour des gros amas de galaxies. « C'est un scénario conforme à ce que prédisent les modèles, mais c'est toujours réconfortant de pouvoir le constater par des données observationnelles », se réjouit Jean-Paul Kneib.

Reste que l'existence même de la matière noire demeure une hypothèse. Certes, elle rassemble une grande majorité de la communauté scientifique parce qu'elle permet de résoudre de manière simple et élégante de nombreux problèmes cosmologiques, mais les particules qui pourraient la constituer n'ont toujours pas pu être identifiées, et ce, malgré des programmes de recherche de plus en plus poussés. Certains se sont d'ailleurs lancés dans l'étude de théories alternatives faisant abstraction de la matière noire. La théorie Mond, par exemple, essaie d'expliquer les anomalies observées en modifiant légèrement la loi de la gravitation définie par Newton.

Cette nouvelle cartographie apporte-t-elle des éléments solides en faveur de l'existence de la matière noire ? « Si la détection de matière noire était systématiquement associée à la présence de matière visible, on pourrait réellement s'interroger sur son existence réelle, reconnaît Jean-Paul Kneib. Après tout, les anomalies constatées pourraient correspondre à une propriété gravitationnelle de la matière ordinaire que nous ignorons. Cependant, cette carte laisse apparaître de petites différences de distributions entre les deux types de matière, ce qui tendrait à démontrer l'existence de la matière noire. »

Jean-Marc Bonnet-Bidaud, astrophysicien au CEA (dont le laboratoire a participé au programme COSMOS), se veut plus prudent. « Ne négligeons pas les erreurs possibles dans la reconstitution de cette carte. On y observe par exemple toutes les combinaisons possibles : de la matière noire sans matière visible, de la matière visible sans matière noire… des cas de figure que ni la théorie standard, ni la théorie MOND ne peuvent expliquer simplement ! »

Autant dire que, malgré cette première carte de répartition, l'existence même de la matière noire reste à démontrer : en réalisant de nouvelles cartes plus précises, ou en identifiant enfin les particules qui la constituent.

Olivier Boulanger