Des scientifiques cartographient la matière noire de manière plus précise que jamais

Qu’est-ce que la matière noire ? Voici l’une des énigmes les plus tenaces et les plus importantes de la physique.

Cette matière invisible et mystérieuse est environ cinq fois plus abondante que la matière ordinaire dont sont faits les individus, les animaux, les planètes, les étoiles et tout ce sur quoi les humains ont jamais été capables de poser les yeux. Si les scientifiques ne peuvent pas directement détecter la matière noire à l’aide de leurs télescopes, ils peuvent toutefois détecter son influence gravitationnelle à grande échelle, comme celle des galaxies ou des amas de galaxies, par exemple.

Mais pour résoudre l’énigme de la matière noire, les scientifiques doivent d’abord découvrir où elle se trouve.

Si l’on a par le passé tenté de cartographier de diverses manières la matière noire dans le cosmos, une nouvelle étude, publiée le 26 janvier dans la revue Nature Astronomy, fournit la cartographie la plus détaillée de la matière noire à ce jour. Ces nouveaux résultats reposent sur des données du télescope James Webb et renforcent la thèse actuellement défendue par les scientifiques selon laquelle l’influence gravitationnelle de la matière noire a fait s’agglomérer de la matière ordinaire en amas qui sont devenus les premières structures de l’Univers.

« C’est l’échafaudage gravitationnel dans lequel tout le reste s’insère et devient des galaxies. Et nous pouvons en fait voir ce processus à l’œuvre sur cette carte », se réjouit Richard Massey, co-auteur de l’étude et physicien à l’Université Durham, au Royaume-Uni.

Sans matière noire, il n’y aurait pas assez de matière pour assurer la cohésion gravitationnelle des galaxies, et notre Voie lactée, qui abrite des milliards de planètes, dont la Terre, n’existerait pas sous sa forme actuelle.

CARTOGRAPHIE DU CHAMP COSMOS

Cette nouvelle carte représente une partie d’une région du ciel que l’on appelle le champ COSMOS et qui a été scrutée par le télescope spatial Hubble et d’autres observatoires. Tandis que la nouvelle carte obtenue grâce au télescope spatial James Webb (JWST) répertorie près de 800 000 galaxies, dont bon nombre nous étaient inconnues, elle ne couvre qu’un minuscule pan de ciel à peine deux fois et demie plus grand que la Lune.

De manière remarquable, il y a une vingtaine d’années, Hubble a livré des images détaillées du champ COSMOS et ainsi offert un aperçu alors révolutionnaire de la structure de l’Univers. Armés de données d’une résolution bien meilleure grâce au JWST, les scientifiques peuvent désormais superposer les nouvelles données aux anciennes afin de vérifier de précédentes analyses et lever le voile sur de nouveaux éléments de l’architecture de l’Univers.

« Nous pouvons voir à quoi ces structures correspondent, mais nous les voyons désormais avec une bien meilleure résolution et des détails plus fins. Donc c’est renversant », s’étonne encore Diana Scognamiglio, chercheuse en cosmologie au Laboratoire de recherche sur la propulsion par réaction de la NASA, qui a dirigé la nouvelle étude.

Comme le JWST peut capter la lumière infrarouge, il donne à voir des galaxies qui se sont formées il y a plusieurs milliards d’années dans l’Univers primordial. Cela permet aux scientifiques d’inférer la présence de structures de matière noire appelées « filaments » qui forment une « toile cosmique » sur laquelle les galaxies s’enfilent comme sur des fils invisibles. « On observe des galaxies enfilées comme des perles partout où l’on trouve de la matière noire, à toutes sortes de distances de nous et d’époques depuis le Big Bang », explique Richard Massey.

Les scientifiques pensent qu’après la naissance de l’Univers, la matière noire s’est agglomérée pour former cet échafaudage auquel la matière ordinaire (ou baryonique) s’est ensuite agrégée. La carte obtenue grâce au JWST étaye cette hypothèse. « Partout où il y a de la matière noire, celle-ci attire la matière ordinaire et commence à en agréger suffisamment à un endroit donné pour former des étoiles et des planètes », ajoute-t-il.

UNE CARTE DE LA MATIÈRE NOIRE

Pour détecter indirectement de grandes sources de matière noire dans tout ce pan de ciel spécifique, les scientifiques ont exploité un phénomène particulier, celui de lentille gravitationnelle.

Un objet cosmique massif tel qu’une galaxie ou un amas de galaxies peut faire se courber la lumière émise par une source lointaine et la déformer. Dans un phénomène dit de « lentille forte », la lumière émise par la source lointaine est comme amplifiée, de telle sorte qu’elle semble agrandie, voire déformée en une sorte d’anneau entourant l’objet. Mais dans le cas présent, les chercheurs étaient à la recherche d’une « lentille faible », effet plus subtil par lequel les formes des galaxies se voient très légèrement déformées ou déplacées, car la matière noire perturbe la trajectoire de la lumière. Un grand nombre de galaxies est nécessaire pour calculer la quantité de matière noire responsable de cet effet de lentille faible.

« Les galaxies, ou peu importe ce que nous observons, se retrouvent tordues en ces formes caractéristiques, comme avec un miroir déformant ou comme lorsque l’on regarde à travers une vitre de cuisine ou de salle de bain, explique Richard Massey. Et nous déterminons la quantité de matière noire en analysant la façon dont elle distord les formes de ces galaxies en arrière-plan. »

Selon Richard Massey, le processus qui consiste à mesurer indirectement la matière noire de cette manière est semblable au fait d’observer des arbres et d’inférer que le vent est la cause du mouvement des feuilles et des branches. Et cela n’est pas une mince affaire quand il s’agit de calculer des changements subtils dans des centaines de milliers de galaxies. Les chercheurs ont scruté le même pan de ciel avec le JWST pendant 255 heures, ce qui a représenté la plus grande enquête réalisée durant la première année des opérations scientifiques du télescope, lancées en 2022.

PLUS QU’UNE SIMPLE CARTE

La carte elle-même n’est cependant qu’un début. Rachel Mandelbaum, physicienne à l’Université Carnegie-Mellon qui n’a pas pris part aux présentes recherches, a hâte que l’on dérive davantage de connaissances scientifiques de cette carte, pourquoi pas des analyses du lien entre certains types de galaxies et la quantité de matière noire qu’elles contiennent, de la distribution des galaxies et des « vides » galactiques, des régions où le nombre de galaxies est inférieur à la moyenne.

Les analyses de ce type « nous aideront à répondre à nos questions élémentaires sur l’Univers et sur la distribution de la matière et sur l’évolution des galaxies », explique-t-elle.

La carte de la matière noire obtenue grâce au JWST intervient au moment où débute un âge d’or de l’exploration spatiale. Le télescope Euclid de l’Agence spatiale européenne (ESA), lancé en 2023, et le télescope spatial Nancy Grace Roman de la NASA, qui devrait être lancé à l’automne, fourniront des observations complémentaires de matière noire sur un pan de ciel bien plus large. Ces deux télescopes ont été conçus pour effectuer des relevés étendus, tandis que le JWST se concentre sur des portions de ciel plus petites mais avec un niveau de détail supérieur. Le nouvel observatoire Vera C. Rubin, au Chili, qui a publié ses premières images en 2025, fournira en outre des cartographies de galaxies et de la matière noire qui amélioreront notre compréhension de ce mystère.

La carte est « une première étape cruciale pour tout le savoir futur que nous obtiendrons concernant la matière noire », affirme Gavin Leroy, chercheur à l’Université Durham et co-auteur de l’étude.

Des scientifiques travaillent désormais sur une version tridimensionnelle de cette nouvelle carte. Combinée avec les relevés importants des autres observatoires, cela permettra aux scientifiques de se fixer enfin les propriétés de la matière noire elle-même. Par exemple, la matière noire se compose-t-elle de particules massives et lentes (que les scientifiques qualifient de « froides ») ou bien de particules « chaudes » plus légères et plus rapides ?

« J’espère que l’on pourra voir cela comme une base pour d’autres études, confie Diana Scognamiglio. Et que nous pourrons étendre ces données avec d’autres télescopes et les combiner pour faire de la cosmologie et pour vraiment comprendre ce qu’est la matière noire. »