La matière noire, plus qu’une « forme de matière », est une catégorie de matière hypothétique, invisible directement. Elle est présente dans les modèles astrophysiques uniquement car elle correspond à la « matière manquante » pour expliquer le comportement de différentes structures dans l’Univers ou d’observations astrophysiques. Récemment, des chercheurs ont créé la plus grande carte jamais réalisée schématisant sa distribution dans l’Univers observable.
En ce qui concerne la composition de la matière noire, il existe plusieurs hypothèses intéressantes : il pourrait s’agir de gaz moléculaire, d’étoiles mortes, de naines brunes en grand nombre ou encore de trous noirs… En somme, tout objet astrophysique invisible à nos instruments d’observation. Les calculs veulent que cette matière hypothétique représente environ 27% de l’Univers. Son potentiel gravitationnel est suffisant pour relier des galaxies entières dans une structure connue sous le nom de toile cosmique.
Récemment, des chercheurs ont créé la plus grande carte jamais réalisée schématisant sa distribution dans l’Univers observable. Ce qui est plutôt surprenant, c’est que le résultat obtenu pourrait indiquer des inexactitudes par rapport à la théorie de la relativité générale… Les astronomes ont également cartographié l’emplacement de vastes vides cosmiques, où les lois classiques de la physique pourraient ne pas s’appliquer. Les résultats seront publiés prochainement dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Les preuves actuelles obtenues par l’analyse du fond diffus cosmologique (FDC) suggèrent que l’Univers est composé d’environ 4,9% de matière ordinaire et visible, 26,8% de matière noire et 68,3% d’énergie noire — qui est le « moteur » de l’expansion de l’univers. Pour cartographier la matière noire, les astronomes observent la lumière provenant de galaxies lointaines et se dirigeant vers la Terre. Si la lumière est déformée sans raisons apparentes (sans présence d’un amas de galaxies par exemple), cela signifie qu’il y a de la matière au premier plan qui dévie la lumière avant qu’elle ne nous atteigne (un phénomène donnant également lieu aux lentilles gravitationnelles).
100 millions de galaxies analysées grâce à l’intelligence artificielle
En utilisant des méthodes d’intelligence artificielle pour analyser des images de 100 millions de galaxies, les membres de l’équipe internationale chargée de l’étude de l’énergie noire (DES) — un effort de collaboration visant à révéler la nature de la mystérieuse énergie noire — ont créé une carte qui couvre un quart du ciel de l’hémisphère sud (un huitième du ciel nocturne total visible depuis la Terre).
Visualisées sous forme de taches roses, violettes et noires, regroupées à l’intérieur d’un anneau pâle (une image superposée de la Voie lactée), les zones les plus lumineuses de la carte (cf. image de titre) montrent les zones les plus denses de matière noire, correspondant aux superamas de galaxies, tandis que les taches noires sont des vides cosmiques.
« Cela nous montre de nouvelles parties de l’univers que nous n’avons jamais vues auparavant. Nous pouvons vraiment voir cette structure de toile cosmique, y compris ces énormes structures appelées vides cosmiques, qui sont des régions de l’univers à très faible densité où il y a très peu de galaxies et moins de matière », déclare le Dr Niall Jeffrey, de l’University College London (UCL) et de l’École Normale Supérieure de Paris, qui a codirigé le projet.
Les scientifiques s’intéressent à ces structures car ils soupçonnent la gravité de se comporter très différemment à l’intérieur de celles-ci. En identifiant leurs formes et leurs emplacements, la carte pourrait donc servir de point de départ à des études plus approfondies.
La carte complète, qui sera également publiée dans le rapport de recherche, nous rapproche de la compréhension de la composition de l’univers et de son évolution. Selon le modèle standard de la cosmologie, l’univers a commencé par le Big Bang, puis il s’est étendu et la matière a évolué selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui décrit la gravité. Ce sont ces forces gravitationnelles qui ont créé les amas et les vides de matière, qui constituent aujourd’hui la toile cosmique.
« Cela pourrait signifier que quelque chose ne va pas dans la théorie de la relativité générale »
Bien que les calculs de l’équipe du DES suggèrent que la distribution de cette matière est largement conforme aux prédictions du modèle standard, elle n’est pas parfaite. « Si vous regardez dans l’univers, la matière n’est pas aussi grumeleuse que prévu – il y a des indices qu’elle est plus lisse », explique Jeffrey. « Cela peut sembler relativement insignifiant, mais si ces indices sont vrais, cela pourrait signifier que quelque chose ne va pas dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, l’un des grands piliers de la physique ».
L’une des possibilités est que certaines des mesures utilisées pour calculer l’apparence de l’univers ne soient pas tout à fait correctes, a déclaré le professeur Ofer Lahav, co-auteur de l’étude, également de l’UCL et président du consortium DES UK. Il pourrait également s’agir d’un problème lié au modèle sous-jacent. « Certaines personnes iraient même jusqu’à dire qu’Einstein avait peut-être tort », a-t-il ajouté.
« Ce que je dis, c’est : il y a quelque chose qui pourrait indiquer une disparité. Travaillez dur, essayez de le comprendre par des moyens conventionnels, mais gardez les yeux ouverts sur le fait que cela pourrait conduire à une révolution dans la physique », conclut Lahav en s’adressant aux autres chercheurs.
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