L'énigme de la masse cachée

L’énigme de la masse cachée

Pourquoi une majeure partie de notre Univers reste invisible ?

Quels que soient les modèles cosmologiques choisis par les astrophysiciens, un problème lancinant demeure : de 90 à 99 % de l’Univers restent obstinément invisibles. Pourtant, cette masse cachée se manifeste par les effets gravitationnels intenses qu’elle provoque sur son environnement. Mais de quoi peut être constituée cette matière invisible : de neutrinos, d’étoiles, de trous noirs… ou plutôt de particules encore inconnues des physiciens ?

 

Nous vivons dans un Univers totalement incertain. Nul ne sait dire aujourd’hui quel sera son destin ? Y aura-t-il un jour une inversion de l’expansion des galaxies que nous observons actuellement ? Se produira-t-il alors une sorte de grand retour en arrière au cours duquel l’Univers revivra son existence passée et retournera inéluctablement vers cette origine si controversée qu’est le big bang ? Ou bien l’expansion, cette monstrueuse dilatation qui a multiplié les dimensions par plus de cent milliards depuis l’apparition des premières briques de matière, est-elle condamnée à se poursuivre indéfiniment ?

A cette question essentielle, il est encore impossible de répondre. Pourquoi ? Tout simplement parce que nous ignorons totalement la quantité de matière contenue dans l’Univers. Seule la matière est capable, par son action gravitationnelle, de ralentir l’expansion. Plus il y a de matière dans un volume donné d’Univers, plus l’expansion se ralentit. Il existe même un point critique où la quantité de matière est très exactement suffisante pour maintenir l’Univers en équilibre. Si tel est le cas, dans des milliards d’années, l’expansion diminuera jusqu’à devenir imperceptible ; l’Univers, comme une vague qui aurait déferlé sans jamais refluer, sera devenu immobile pour l’éternité.

Pour connaître l’avenir de l’Univers, il faut donc le « peser », c’est-à-dire patiemment répertorier tout ce qui existe, étoiles, galaxies, amas de galaxies. Il y a encore une quinzaine d’années, on pensait bien avoir fait le tour du problème et l’affaire semblait réglée. L’inventaire fournissait une valeur très éloignée de cette densité critique et l’Univers paraissait lancé à jamais dans son expansion. Mais aujourd’hui, tout est remis en question et les opinions sont tout à fait différentes. Il faut dire que les idées des cosmologistes ont considérablement évolué. Il n’y a pas qu’une théorie du big bang, mais plusieurs. A côté du big bang « standard » est apparue, en 1981, une version dite « inflationniste » qui a aujourd’hui la faveur d’un grand nombre d’astrophysiciens car elle parvient à éliminer certains défauts trop voyants de la version « standard ». Cette théorie a une conséquence inéluctable : la densité de l’Univers devrait être très exactement égale à la densité critique. Du même coup, il manque à notre inventaire une quantité impressionnante de matière. Nous serions mêmes dans un Univers fantomatique où moins de 1 % de ce qui existe réellement nous serait visible.

Masse manquante, masse cachée, matière noire, matière sombre… : les termes ne manquent pas pour désigner cet Univers occulte et fiévreusement recherché. S’agit-il de myriades de planètes, d’étoiles invisibles, de particules connues ou inconnues ? La chasse est ouverte avec un enjeu de taille : non seulement révéler l’avenir de l’Univers mais également découvrir quelle est la « bonne » version du big bang.

Réexaminons tout d’abord la prédiction des différentes versions du big bang. Celle de la théorie de l’inflation est la plus simple. Dans cette théorie, l’Univers n’aurait pas eu dans le passé une expansion régulière. Au contraire, à son tout début, il aurait enflé démesurément en une fraction infime de seconde. Du même coup, le rayon de cet Univers « inflationniste » serait aujourd’hui infini. Si l’on se représente le cosmos comme une gigantesque sphère, cela signifie que le rayon de cette sphère est devenu tellement grand qu’elle ressemble à un plan. L’Univers inflationniste est plat et sa densité égale à la densité critique. Cette densité, selon l’estimation actuelle de l’expansion, varie de trois à douze atomes par mètre cube, elle est donc un million de fois plus faible que celle observée dans le voisinage du Système solaire, ce qui peut paraître peu, mais qui dans l’énorme volume de l’Univers représente une quantité colossale de matière.

En revanche, dans le big bang « standard », l’expansion est restée régulière et la seule information concernant la masse de l’Univers nous vient des fameuses trois premières minutes durant lesquelles se sont formés les premiers noyaux de matière, ceux des éléments chimiques les plus légers, principalement l’hydrogène, l’hélium et le lithium. La proportion de ces éléments dépend étroitement de la densité de matière dans l’Univers. Pour reproduire leur abondance telle qu’elle est aujourd’hui observée dans le cosmos, il faut que cette densité soit approximativement égale au dixième de la densité critique. Cette condition ne concerne que la matière qui a pu servir à constituer les premiers noyaux, c’est-à-dire les particules de la matière ordinaire, les protons et les neutrons, plus généralement appelés baryons.

                    

Or, en faisant le bilan de tout ce qui est visible dans l’Univers, les astronomes arrivent péniblement à une densité au plus égale à… 1 % de la densité critique ! Voilà dressé l’horrible spectacle de l’ignorance des scientifiques. Qu’ils croient au big bang « standard » et il manque alors dix fois plus de matière ordinaire pour que les comptes tombent justes. Qu’ils aient été séduits par les sirènes de l’inflation et l’addition est plus énorme encore : c’est cent fois plus de matière qui manquent à leur escarcelle, dont les neuf dixièmes sont constitués obligatoirement de particules exotiques ne rentrant pas dans la composition de la matière ordinaire. Et alors que dans le premier cas, on peut parler de « matière noire » car il s’agit de matière ordinaire, dans le second, mieux vaut employer le terme « masse manquante » car cette masse est de nature totalement inconnue.

La situation présente des astronomes évoque ainsi celle d’une colonne d’alpinistes qui, partant pour l’ascension du Mont-Blanc, aurait devant les yeux les seuls quarante premiers mètres du chemin, qui prévoiraient que les quatre cents mètres suivants ressemblent beaucoup à ceux des d’expéditions précédentes mais qui auraient la certitude que les quatre mille mètres du reste de l’ascension sont de nature totalement inconnue. Cette expédition est lancée depuis plusieurs années et plusieurs signes avant-coureurs de l’existence de ce nouveau continent encore caché ont déjà été établis.

A priori, les astronomes sont relativement modestes. Ils n’ont pas la prétention de penser qu’ils peuvent réellement « voir » tout ce qui peut exister dans l’Univers. Le seul message direct qui leur parvient est celui de la lumière, mais tout ce qui existe ne brille pas. Dans le Système solaire par exemple, la majorité des astéroïdes et des comètes sont des astres « invisibles » ; ils constituent déjà un échantillon de matière « noire ». Il est en revanche un message indirect qui ne trompe jamais, celui de l’attraction gravitationnelle. La gravité est une force qui non seulement a une portée infinie mais qui ne connaît pas d’écran. Toute matière, quelle que soit sa nature, se trahit par son influence gravitationnelle. Un corps obscur se révèle ainsi par la vitesse qu’il imprime à tout objet en orbite autour de lui. C’est ainsi en particulier que les astronomes espèrent découvrir les trous noirs.

Plus la masse qui attire est grande, plus la vitesse est grande. Cette loi vaut pour tout corps, y compris par exemple les étoiles qui tournent dans une galaxie. Or, dans les années 70, l’américaine Vera Rubin et ses collaborateurs de l’Institution Carnegie de Washington allaient révéler un fait bien curieux. Dans la majorité des galaxies proches, les étoiles tournent beaucoup trop vite autour du centre. Elles conservent une vitesse très élevée même lorsqu’elles sont situées dans les régions les plus extérieures, là où pourtant la masse « visible » de la galaxie diminue considérablement. Il semble donc qu’une masse « invisible » continue à les attirer. Au début, les astronomes ne se sont pas émus outre mesure de cette situation. Observer la lumière visible provenant des étoiles était loin d’être suffisant. Il fallait également étudier les ondes radio qui peuvent être émises par le gaz froid interstellaire, le rayonnement infrarouge émis par les poussières, et les rayons ultraviolets ou X provenant du gaz chaud. Aujourd’hui, toutes ces observations ont été effectuées et elles n’ont donné aucun résultat. La masse cachée des galaxies n’est rien de tout cela, et reste obstinément invisible.

 

Sa présence est pourtant confirmée par un autre biais. Dans le cadre de notre galaxie, la Voie lactée, une équipe d’astronomes de Californie a pu déterminer de façon très exacte le mouvement des deux petites galaxies irrégulières qui l’accompagnent, le Grand et le Petit Nuage de Magellan. Les deux Nuages tournent autour de la Voie lactée avec une vitesse qui ne peut s’expliquer que si notre galaxie est réellement de cinq à dix fois plus massive qu’elle n’y paraît.

La même anomalie se retrouve pour les divers groupes de galaxies de l’Univers jusqu’aux amas les plus denses. C’est d’ailleurs en étudiant ces groupes que l’astrophysicien Fritz Zwicky avait eu, en 1933, la première intuition de l’existence d’une masse invisible. Au fil des années, l’Univers fantôme des amas s’est également vu confirmé par le progrès des observations. En décembre 1993, Simon White, de l’Institut d’astronomie de Cambridge, et ses collaborateurs ont publié l’une des estimations les plus précises de la masse d’un des amas proches, celui de Coma (Chevelure de Bérénice), en tenant compte en particulier de la fraction importante de gaz chaud mesurée par le satellite Rosat. L’amas contient dix mille milliards de fois la masse du Soleil sous forme d’étoiles et environ six fois plus sous forme de gaz. Mais toute cette matière est encore dix fois insuffisante pour expliquer les vitesses des galaxies dans l’amas !

                    

Que ce soit dans les galaxies ou dans les amas, les lois de la dynamique semblent donc nous imposer l’existence d’une masse invisible considérable. Cette conséquence est-elle définitive ? Il est à remarquer que toutes nos conclusions sur la masse cachée des galaxies sont fondées sur la seule loi de l’interaction gravitationnelle. Or, de façon étonnante, cette loi, où l’attraction entre deux corps est inversement proportionnelle au carré de leur distance, n’a été strictement vérifiée au laboratoire que pour de très courtes distances mais certainement pas à l’échelle des galaxies. Et si celle loi n’était plus tout à fait exacte pour les très grandes distances ? Dans ce cas, comme le dit un personnage de Shakespeare : « La faute, cher Brutus, n’en revient pas aux étoiles mais à nous-mêmes. » Des astrophysiciens comme Mordehai Milgrom en 1982 et Richard Liboff sont convaincus que là est la solution. Ils proposent tous deux de modifier légèrement la célèbre loi de l’attraction newtonienne en rajoutant un terme qui dépendrait non pas de la distance seule mais également de l’accélération entre les deux corps. A très courte portée, ce terme serait négligeable mais deviendrait important lorsque les distances augmenteraient. La méthode semble arbitraire mais ses auteurs peuvent invoquer un antécédent historique célèbre. En 1859, lorsque les anomalies du mouvement de la planète Mercure furent constatées, l’astronome Le Verrier était persuadé qu’elles constituaient déjà la preuve de l’existence de matière noire, sous forme d’une planète invisible qu’il baptisa Vulcain. Mais Einstein montra en 1916 que la trajectoire de Mercure s’expliquait parfaitement par la seule modification des lois de Newton dans le cadre de la théorie de la relativité.

Pour l’instant, les modifications proposées par Milgrom et Liboff sont encore loin d’être satisfaisantes. En particulier, rien ne prouve pour l’instant qu’elles restent en accord avec la relativité – un handicap sérieux. La plupart des astrophysiciens préfèrent donc poursuivre l’expédition vers l’Univers invisible. Où et sous quelle forme trouver une telle quantité de matière ? Ayant derrière eux les premiers mètres, ils se sont attaqués tout d’abord à la matière « noire » prédite par le big bang « standard » sous forme de protons et neutrons tout à fait ordinaires.

« Quand le doigt montre la Lune, l’imbécile regarde le doigt », dit le proverbe chinois. Cruelle et juste remarque pour la piste la plus sérieuse. La matière noire pourrait être sous notre nez, constituée d’innombrables astres minuscules trop petits  et surtout trop peu lumineux pour être « vus ». Il pourrait s’agir aussi bien de planètes ou d’étoiles ratées, les naines brunes, que de cadavres d’étoiles, trous noirs ou étoiles à neutrons subsistant après l’explosion des étoiles les plus massives. Aux Etats-Unis, ces objets ont été baptisés, avec un mauvais goût certain, machos, acronyme pour Massive Compact Halo Objects. « Halo » car ces objets seraient non pas dans le disque de la Galaxie mais plus vraisemblablement tout autour de nous, dans un volume sphérique qui représente la forme originelle probable de la Galaxie. Pour traquer des objets aussi petits, l’astronome polonais Bogdan Paczynski a eu une idée de génie : utiliser l’effet de lentille gravitationnelle prédit par Einstein lorsqu’un corps massif s’interpose sur le trajet de la lumière émise par une étoile.

                 

Une possibilité nouvelle, tout aussi intéressante que les machos, a été proposée par Françoise Combes, de l’observatoire de Meudon, Daniel Pfenniger et Louis Martinet, tous deux de l’observatoire de Genève. Ces chercheurs ont en effet remarqué qu’une grande quantité de gaz pouvait passer inaperçu dans le disque des galaxies si ce gaz était condensé en micro-nuages suffisamment denses et froids. L’hydrogène notamment y serait alors sous forme de molécules trop froides pour émettre le rayonnement radio grâce auquel on détecte habituellement le gaz interstellaire. Ce gaz présent dans la partie la plus extérieure des galaxies constituerait en outre un véritable réservoir de matière, capable d’expliquer pourquoi la formation des étoiles se poursuit si longtemps dans les galaxies. Avec la taille d’un Système solaire et une température de - 270° C, ces gouttelettes d’hydrogène seraient presque totalement « furtives », sans aucun écho sur les radiotélescopes.

Les jeux ne sont donc pas faits. Il existe plus d’un candidat au titre d’Univers « noir » et les tenants de big bang standard pourraient bientôt être rassurés sur les prédictions de la théorie. En revanche pour les « accros » de l’inflation, les choses sont plus compliquées. Cette nouvelle version du big bang est certes très utiles voire indispensable pour prédire notamment la formation des galaxies et des grandes structures de l’Univers. Mais pour lui faire gagner ses galons de théorie universelle, ses partisans aimeraient bien lui trouver quelques confirmations. La cosmologie ne peut prétendre longtemps bâtir un modèle d’Univers en ignorant la nature et la distribution de 99 % de son contenu !

Malheureusement, la masse manquante de l’inflation est faite de matière beaucoup plus évanescente. Protons et neutrons qui constituent tous les éléments chimiques connus sont exclus et il faut faire appel à des particules qui, pour rester invisibles, doivent interagir très peu avec la matière ordinaire. Le meilleur candidat est longtemps resté le neutrino, particule pléthorique dans l’Univers car, pour chaque proton, il existe environ un milliard de neutrinos. A eux seuls, ils sont si nombreux qu’ils peuvent permettre d’atteindre cette fameuse densité critique si seulement ils avaient une masse… non nulle, même très faible. Malheureusement, la preuve de la masse du neutrino manque encore à l’appel. L’hypothèse du neutrino de 17 keV de Simpson, un neutrino très lourd qui avait longtemps paru prometteur, a été abandonnée. Les autres pistes, où les neutrinos ont une masse environ cent mille fois plus faible que celle de l’électron, ne sont toujours pas confirmées.

Reste alors la cohorte des particules prédites par les théories d’unification des forces. Baptisées en anglais wimps (Weakly Interacting Massive Particles), ces particules, depuis les poids plumes que sont les axions (10-14 fois la masse du proton) jusqu’aux poids lourds que sont les photinos (cent fois le proton), ont toutes le grand défaut d’être totalement hypothétiques et de rester inconnues de nos accélérateurs actuels ! Les derniers espoirs sont placés dans le grand collisionneur de hadrons, le LHC, un bijou d’accélérateur construit au Cern, à Genève.